基于ANSYS的重力坝泄洪洞有限元分析

黄 娟，孙建生

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

水库泄洪排沙洞，起着减小水库泥沙淤积，延长使用寿命，保证输水管进口不被泥沙淤积的作用。泄洪洞的存在使坝体应力分布发生变化，周边产生应力集中现象，其应力应变分析在大坝整体分析中占重要部分。文章结合清峪水库工程，采用ANSYS有限元软件对重力坝进行建模分析，以期得到泄洪洞周边应力分布规律，为工程设计提供了依据。

1 建立模型

1.1 工程概况

清峪水库是一座以城镇生活及工业供水为主，兼农业灌溉的小型水库，位于临汾市乡宁县城西13 km处鄂河干流清川河口处。水库总库容233万m3，小（一）型水利工程，大坝设计洪水为30年一遇，最高坝高42.58 m。枢纽建筑物包括：非溢流挡水重力坝段，溢流重力坝段，泄洪排沙底洞和城镇生活及工业输水管进水口坝段，右坝肩混凝土刺墙加土坝段。泄洪排沙坝段长为18 m，底板高程为832.0 m，孔口高度尺寸为4×4 m，坝体内部设置有廊道和闸门井。

1.2 建模

在此问题中，涉及到坝基和坝体两个部分，其中，坝体为混凝土，坝基为不同类别的围岩体。文章采用的是弹线性模型，坝基采用三维实体8节点Solid45单元，坝体则采用ANSYS专门的混凝土单元SOLID65进行模拟分析。单元采用自由网格方式进行划分，孔洞表面设置单元长度为0.4 m，廊道和闸门0.5 m，坝体其余部分为1.0 m，坝体与坝基接触面为1.0 m，坝基其余部分为1.5 m，最终坝体生成282 412个单元，坝基生成了126 686个单元。见图1、图2。

图1 泄洪坝段三维模型

图2 网格划分图

1.3 计算参数

文章考虑了空库和工作两种状态，空库状态只考虑自重应力和边界条件，即施工完成时的状态；工作状态（设计水位），即在空库状态下增加水压力和泥沙压力。

根据工程地质报告和坝体材料物理力学指标，有关力学参数见表1。

表1 结构参数

2 计算结果及分析

本坝为混凝土重力坝，大坝受自身重力的影响很大，空库状态即大坝建成以后，只受重力所引起的应力应变状态。

2.1 位移变化规律

从上游往下游看，选择泄洪洞左下角节点，依次经过排沙泄洪洞周围各节点，经过上边界，右边界、下边界，最后回到左下角节点，据此定义路径，分析泄洪洞周边应力应变。

空库状态，见图3、图4。

图3 泄洪洞空库总位移云图

图4 泄洪洞空库位移曲线图

由于受重力影响，大坝整体下沉，沿着水流方向，并且在竖直方向上从上到下，位移逐渐减小，最大位移出现在大坝上部，为0.002 737 m，泄洪洞周边位移值变化比较均匀，也是从上到下逐渐递减。X轴和Z轴有少量位移，变化不大，Y轴变化幅度相对来说比较大，最大值为0.00 248 m。

工作状态，见图5、图6。

图5 泄洪洞工作状态总位移云图

图6 泄洪洞工作状态位移曲线图

图9 泄洪洞工作状态等效应力云图

图10 泄洪洞工作状态等效应力曲线图

在工作状态下的位移值也是从上到下逐渐递减，泄洪洞附近从上游向下游,位移逐渐变小,最大位移值为0.002 595 m，出现在坝体上半部分到泄洪洞底部。相较于空库状态，由于受力增多，泄洪洞部分的位移变大。

2.2 应力变化规律

图7 泄洪洞空库等效应力云图

图8 泄洪洞空库等效应力曲线图

由图7可知，空库状态下的应力主要集中在泄洪洞进水口底板和坝趾处，大坝迎水面应力较大，泄洪洞从上游往下，应力逐渐变小，在入口和与竖井交汇处应力最大，进水口底板出现应力集中现象。由图8可以看出，泄洪洞周围的应力分布不均匀，变化量大，最小值出现在洞口上边界，约为120 kPa，最大值出现在洞口左右边界靠下的位置，为1 320 kPa，整体是从洞顶到地板，逐渐增大。

由图9可知，泄洪洞内应力分布大体仍然是从上游往下，逐渐变小，在入口和与竖井交汇处应力最大。由图10可以看出，洞口应力从上至下逐渐增大，洞口上边界的最小值约为 1 900 kPa，地板附近出现最大值为7 012 kPa。

3 结论

（1）排沙泄洪洞是大坝中的一个重要组成部分，其的存在使得大坝整体的应力分布发生变化，ANSYS利用数值模拟分析，考虑了泄洪洞在坝体中的不对称性和地基的影响，计算结果接近实际，可为工程配筋设计提供依据。

（2）泄洪洞进水口底板和大坝坝趾处应力较大，容易出现应力集中现象，所以这两处对材料的要求较高。泄洪洞从上游往下，应力逐渐变小，在与竖井的交汇处结构复杂，应力增大，应注意其相关设计。

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