徐雪飛 ，許勁松 ，趙 鵬 ，遲 穎

（1.大連理工大學建設工程學部水工結(jié)構(gòu)教研室，遼寧大連110624；2.大連市水利建筑設計院，遼寧大連116001）

預應力錨固技術(shù)最大特點是盡可能少地擾動被錨固體，是最為高效和經(jīng)濟的加固技術(shù)。世界上第一例采用預應力錨桿加固的工程是阿爾及利亞的舍爾法壩，之后預應力錨固技術(shù)廣泛應用于土木、水利等工程領(lǐng)域。預應力錨索加固大壩用于解決如下問題：提高大壩壩基抗滑穩(wěn)定；加固補強壩體裂縫或局部損壞；抵抗上浮力，削減消除壩踵拉應力，提高整體穩(wěn)定性等。但是很多工程設計之初是基于二維計算的，現(xiàn)在隨著大型三維土木計算軟件的開發(fā)應用，可以進行更精確、合理的計算、研究與設計。文中將ANSYS，F(xiàn)LAC3D，TECPLOT三大軟件結(jié)合運用，對龍王塘水庫重力壩預應力錨固工程進行數(shù)值模擬研究。

1 龍王塘水庫預應力錨固工程原設計

龍王塘水庫位于大連市旅順口區(qū)，1925年建成，已經(jīng)運行80多年，壩體有很多隱患。2008年大連市水利建筑設計院對龍王塘水庫進行除險加固工程設計，校核計算發(fā)現(xiàn)擋水重力壩（最大壩高40.8 m）壩踵處出現(xiàn)拉應力，需要進行預應力加固工程消除拉應力。成果見表1。

原預應力錨固設計方案按圖1在+0-+158.38段共6個壩段進行預應力錨索施工，布置錨索32根，采用粘結(jié)式預應力錨索，單排布置，距上游鉛直壩面1.2 m。通過對6個壩段分別取其最大壩斷面進行應力計算，最后確定單根預應力錨索的設計張拉力為3 000 kN。每根錨索由21根7φ5鋼絞線組成，鉆孔孔徑為180 mm，內(nèi)錨固段采用水泥漿粘結(jié)。錨索間距為3～8 m，為改善錨固段部位的應力狀態(tài)，錨索長、短相間布置，深入基巖10～13 m。

表1 重力壩壩踵應力計算成果表（加固前） MPa

圖1 預應力錨索縱剖面布置圖

2 工程三維數(shù)值模擬

2.1 原設計方案三維數(shù)值模擬

為了克服FLAC3D軟件難以建立復雜的模型，而且容易出錯的缺點，用ANSYS建立有限元模型、劃分網(wǎng)格，采用程序把復雜模型導入FLAC3D計算，并將計算結(jié)果導入TECPLOT軟件以顯示結(jié)果云圖。模型采用摩爾庫倫準則。

表2 模型材料參數(shù)

表2為導入FLAC3D的龍王塘模型參數(shù)，在模擬過程中發(fā)現(xiàn)材料參數(shù)的選取對模擬結(jié)果會產(chǎn)生大的影響，文中的材料參數(shù)結(jié)合《龍王塘水庫大壩工程地質(zhì)勘查報告》與參數(shù)試算，以及工程運行現(xiàn)狀選取的，使模擬結(jié)果更貼近實際。

根據(jù)報告中的計算進行模型加載計算，應力云圖為沿距上游面1.2 m處的軸向切面圖。見圖2。

圖2 加錨前應力等值線圖 σ3/Pa

由FLAC3D輸出的錨索軸向力圖3看出有4根軸力變小的錨索，即從圖1的左側(cè)數(shù)為第16，18，26，29根，說明錨索預應力并未完全施力。由圖2可以看出，壩體中間幾個壩段壩踵處并不存在拉應力，只有兩端壩肩附近存在拉應力。

經(jīng)過加固前后的兩云圖（圖2、圖4）對比，發(fā)現(xiàn)錨固后拉應力區(qū)變小，壓應力區(qū)變大（兩大應力區(qū)以0值線為分界，大于0值的區(qū)域為拉應力，小于0的區(qū)域為壓應力），但加固后的兩端壩踵拉應力也并未完全消失，故結(jié)合以上對比分析，考慮研究方案在圖1的+0-+33.23、+108.58-+158.38之內(nèi)的3個壩段進行預應力錨固。

圖3 原設計預應力錨索軸力圖 σ3/N

圖4 原設計預應力錨索應力等值線圖 σ3/Pa

2.2 研究方案三維數(shù)值模擬

在靠近壩體上游面采用預應力錨固，既可以增加壩體的抗滑穩(wěn)定，又可以消除壩踵拉應力?！痘炷林亓卧O計規(guī)范》規(guī)定有限元法計算的壩基應力其上游面拉應力區(qū)寬度，宜小于壩底寬度的0.07倍，或小于壩踵至帷幕中心線的距離，不作二維處理的壩體或壩段，局部應力值可不受規(guī)范中的應力指標的規(guī)定，并結(jié)合《水工預應力錨固設計規(guī)范》和二維校核結(jié)果進行3個壩段的預應力錨索布置。

研究方案利用預應力與錨固長度的正比關(guān)系、避免群錨失效的長短間隔布置等原則，以及借助FLAC3D實現(xiàn)的錨索破壞顯示以及模型材料彈塑性，比較多組方案結(jié)合壩頂寬度限制，最終確定錨索采用粘結(jié)式預應力錨索，單排布置在兩端壩肩的第1，5，6三個壩段，錨固長度10 m與13 m間隔布置。結(jié)合原設計方案的二維計算，使每壩段預應力總和與原設計方案相同，錨索間距及錨固長度不變，第一壩段施加3 000 kN/根的預應力，后面五、六壩段兩根預應力錨索分別施加預應力4 000 kN與2 000 kN，錨索布置圖5。設計方案預應力錨索應力等值線見圖6。

圖6 錨索布置圖

圖7 設計方案預應力錨索應力等值線圖

圖8 預應力錨索應力比較

從圖6看兩端加預應力錨索同時也改善了壩中段的應力條件，增加了壓應力帶，體現(xiàn)了大體積混凝土群錨的加固效應，即在巖體表面的壓縮效應，錨索錨固段的長短間隔布置又避免了群錨在錨固末端形成拉應力集中帶。預應力錨索應力比較見圖7。

由圖7的應力比較知，減少中間壩段預應力錨索的研究方案與原設計加固方案應力幾近重合，都未完全改變壩踵拉應力狀況。

3 結(jié)語

1）FLAC3D軟件在建立復雜模型及模型網(wǎng)格劃分方面存在弊端，本文結(jié)合了ANSYS，F(xiàn)LAC3D，TECPLOT三大軟件分別在建模、巖土計算以及結(jié)果顯示的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)了龍王塘預應力錨固工程的三維數(shù)值模擬。

2）從模擬結(jié)果看原工程的加固方案并未完全消除兩壩肩附近的壩踵拉應力，而規(guī)范規(guī)定當有限元計算時，壩體壩基上游面當計入揚壓力后，允許拉應力區(qū)存在一定寬度，所以研究方案在壩體中段不設預應力錨索。從研究方案的應力云圖看，盡管中段未加預應力，但壩體整體應力也得到了改善，拉應力區(qū)縮小，壓應力區(qū)相對增大，存在壩踵拉應力的壩段應力條件同樣得到了一定程度的改善。

3）三維數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示，通過二維計算并不能很好地模擬工程實際，對有更高要求的工程，可能得不到最為合理可行的設計方案，故此后設計可結(jié)合二維計算及本文提出的三大軟件聯(lián)合運用的三維數(shù)值模擬，從而得到更合理、更經(jīng)濟的預應力錨固方案。

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