重力坝泄洪底孔三维非线性有限元模拟分析

摘要

水利枢纽中的泄水孔有配合溢流坝泄洪、放空水库、排泄泥沙和施工导流等用途。由于孔口和廊道的存在，将局部地削弱坝体整体性，同时产生不利的应力集中现象，从而使其对配筋的要求增大。准确的进行应力分析是大坝设计的基础，也是重中之重。计算应力运用最多的是材料力学法，其计算工作简单，适用范围广，但不能严格地满足相容条件，对某些特殊问题不能适用，如应力集中问题。目前在工程技术领域常用数值模拟方法来解决这一问题，数值模拟结合计算机技术形成的应用软件在工程上得到广泛的应用，如ANSYS软件，其在工程验算、仿真计算等方面有着广阔的应用前景。
　　 本文利用ANSYS软件建立清峪水库泄洪洞三维有限元模型，利用其强大的前后处理功能，仿真模拟坝体在荷载作用下的整体位移和应力变化过程。该泄洪洞在坝段较偏的位置，应力分布不对称，用ANSYS软件建立的三维模型可以更准确的得出应力分布结果，分析其分布规律，可为其进行配筋计算提供依据，从而有针对性地提高泄洪洞设计的安全性和可靠性，也对工程中类似问题的解决具有参考价值。
　　 采用三维非线性有限元理想弹塑性模型进行分析计算，研究内容及其主要成果如下：
　　 1、空库状态坝体仅在竖直方向有位移，最大值出现在坝顶靠上游面处，设计工况下，坝体向下游倾斜，坝顶位移大于坝底位移。
　　 2、空库状态混凝土满足抗拉、抗压强度要求。最大拉应力出现在泄洪洞底部进口处，最大值为0.58MPa，最大压应力出现在坝踵处，为2.46MPa，均在强度要求范围以内。设计工况时坝体满足抗压要求，不满足抗拉要求。拉应力主要出现在泄洪洞底部、顶部和导墙下部，最大值在泄洪洞与导墙相交处，为1.97MPa，超过抗拉强度要求；由于坝体上部向下游倾斜，在坝面与地基面的相交处形成应力集中，各坝面拐角处、导墙两侧和坝趾压应力较大，最大值为5.0MPa。
　　 3、坝体主要受压应力影响，垂直于洞口方向，应力从两侧壁上部分别向左下角和右下角延伸逐渐增大，形成不规则三角形区域，其中右下侧由于受灌浆排水廊道的影响，有应力集中；拉应力仅在底面正下方和洞顶上方存在。由于泄洪洞在坝段中心靠右的位置，最大等效应力出现在泄洪洞底部右侧，约为1.02MPa，泄洪洞顶部右侧向右上角延伸至边缘位置、左侧直至输水孔以及洞底以下位置存在部分应力。
　　 4、闸门的开启与闭合，除泄洪洞洞底应力有较大不同，上游坝段和竖井内应力变化规律基本一致，闸门闭合时比开启时应力应变值稍小。竖井内泄洪洞顶部与竖井的交汇处等效应力形成峰值，为0.57MPa，此处是由于前后两面存在高程差，所受荷载压力较大，形成应力峰值。
　　 5、对坝体进行有限元非线性模拟，空库时坝体处于弹性范围内，不存在塑性应变，设计工况下坝体存在塑性变形区域，主要集中在闸门支撑梁和泄洪洞底面与导墙相交的水流出口处，最大值在支撑梁上，为1.59×10-4。
　　 6、弹性模拟的应力值远大于弹塑性模拟的应力值，类似工程采用弹性模拟可满足工程需求。