黎耀貴

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽 550002)

黎平雙江水電站拱壩開孔應(yīng)力計算

黎耀貴

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽 550002)

在水電站工程建設(shè)中，拱壩因為其特有的優(yōu)勢因而被廣泛使用在水電站中。在對拱壩進行設(shè)計的過程中，其開孔應(yīng)力計算是一項重要的組成部分，對于拱壩的合理設(shè)計具有重要的作用，因此必須采取有效的措施對拱壩的應(yīng)力進行計算。文章采用ANSYS建模分析在黎平雙江水電站拱壩上開孔后對壩體應(yīng)力問題，并根據(jù)計算成果分析開孔對拱壩的影響。

黎平雙江；水電站；拱壩；開孔；應(yīng)力；計算

1 工程概況

黎平雙江水電站拱壩初次設(shè)計壩高為73.0m ，但壩基開挖后發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件比預(yù)想的差，存在勘察資料沒有反映的地質(zhì)問題，把壩高降為63.0m ，2003年大壩加高工程完成,壩高為65.5m。

大壩為對稱雙曲拱壩，拱壩曲線方程為y=ye-x2/2R。壩體壩頂高程288.5m，壩底高程223.0m，壩頂厚4.0m，壩底厚13.0m，最大中心角92.4°，最小中心角60°。

壩體材料分區(qū)：河床及兩岸基礎(chǔ)墊層為C15混凝土，厚1.0m；上游面為C15混凝土防滲墻，厚度0.5～2.5m；壩體為三級配C15混凝土埋毛石。

溢洪道布置于壩頂?shù)暮哟捕?，溢流前沿總長58.0m；泄洪兼沖沙放空底孔布置于壩體左岸非溢流壩段內(nèi)，進口高程235.00m；壩后245.60m和268.30m各設(shè)兩道水平交通橋。

壩區(qū)河谷狹窄，呈“V”形河谷，兩岸坡度45°～50°，覆蓋層較薄，出露的地層為下江平略組灰色中厚至厚層狀絹云母板巖，產(chǎn)狀為130°<22°。因受多次構(gòu)造運動的影響，巖體中節(jié)理較發(fā)育，強風(fēng)化帶厚度較大。

2009年，根據(jù)業(yè)主要求為充分利用現(xiàn)有多余的水力資源，對電站擴機。擬從沖沙孔內(nèi)設(shè)置1.8m×1.8m的取水孔，后接壓力鋼管至新建的廠房的機組。取水孔距壩體上游面3.93m，與沖沙孔軸線夾角為45°，底板高程為237.2m。

由于設(shè)計方案從已建的壩體內(nèi)開孔取水，拱壩是一個整體，開孔后對拱壩安全是否存在隱患。本文基于此采用ANSYS研究分析開孔后對拱壩壩體應(yīng)力。

2 建 模

2.1 坐標(biāo)系的建立以及計算范圍的確定

在對拱壩進行計算過程中，為了能夠與拱壩的實際情況相同，保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確，可以在拱壩的計算過程中進行拱壩模型的建立。頂層圓弧圓心沿著高程方向垂直向下延伸至200.00高程取為計算坐標(biāo)系原點，逆水流方向為x軸正方向，沿高程向上方向為y軸正方向，垂直于水流方向且指向左岸為z軸正方向。

2.2 基本假定

在對拱壩建模的相關(guān)計算參數(shù)進行確定時，需要對一些參數(shù)進行數(shù)值的假設(shè)和確定，在進行假定的過程中需要以工程情況和以往的經(jīng)驗進行假定，不僅需要對大壩壩體以及壩基等彈性力學(xué)進行假定，除此以外，還應(yīng)該進行以下3個方面的基本假定：

1)假設(shè)相同高程的拱圈產(chǎn)生的溫度升高或者下降的數(shù)值是一樣的[1]。

2)因壩基在自身重力的影響下，已經(jīng)完成了壓縮，因而在計算過程中就不需要對壩基的自身的重力進行計算。

3)拱壩的壩體以及壩基所使用的材料的性質(zhì)是相同的。

2.3 網(wǎng)格劃分

在計算成果準(zhǔn)確度的影響因素中，網(wǎng)格劃分這一影響因素的影響程度是非常大的。如果網(wǎng)格在劃分的過程中，產(chǎn)生了形態(tài)不正等現(xiàn)象，就會使得網(wǎng)格單元自身以及附近相關(guān)的應(yīng)力的數(shù)值都產(chǎn)生一定的降低，甚至根本不符合相關(guān)理論和要求[2]。因此，在對網(wǎng)格進行劃分的過程中不僅在開沖沙孔和取水孔附近利用自由劃分外的方式外，還需要采用六面體8節(jié)點塊體單元,壩體單元共2846個，節(jié)點3010個?；A(chǔ)采用六面體8節(jié)點塊體單元，共6334個單元，7758個節(jié)點。整個計算模型共9180個單元，10768個節(jié)點。圖1為計算模式示意圖。

圖1 計算模型示意圖

注意：圖中的應(yīng)力，以“—”為壓應(yīng)力，“+”為拉應(yīng)力(符號省略)，單位為kN/m2(即kPa)。

3 應(yīng)力計算成果

應(yīng)力計算的兩個組合分別為：

1)基本荷載組合：正常高水位+相應(yīng)下游水位+壩體自重+泥沙壓力+溫降。

2)特殊荷載組合：校核洪水位+相應(yīng)尾水位+設(shè)計溫升+自重+泥沙壓力。

ANSYSY分析計算出壩體梁應(yīng)力和拱應(yīng)力成果如圖2、3、4、5所示。

圖2上游面及下游面壩體梁應(yīng)力和拱應(yīng)力

圖3上游面及下游面壩體梁應(yīng)力和拱應(yīng)力

圖4孔口附近拱應(yīng)力梁應(yīng)力

兩者壩體梁應(yīng)力和拱應(yīng)力最大應(yīng)力值見表1所示：

表1 最大應(yīng)力表 MPa

圖5孔口附近拱應(yīng)力梁應(yīng)力

4 成果分析

從應(yīng)力的圖中可看到，應(yīng)力分布基本都是對稱的，說明沖沙孔和取水孔的開孔對壩體應(yīng)力分布的影響不明顯。雖然梁應(yīng)力上游面右壩肩下部有拉應(yīng)力達4.0MPa，但不是由于開孔而造成的，是由于在該部位單元劃分不規(guī)則，應(yīng)力集中所造成，對該部位可不做分析，忽略不考慮?？卓诟浇鼞?yīng)力較小，設(shè)置取水口后不影響大壩正常運行。

4.1 梁應(yīng)力

從梁應(yīng)力的圖中可看到，上游面梁應(yīng)力壩體周邊均為拉應(yīng)力，左右壩肩的應(yīng)力分布基本對稱，最大值為1.96MPa，出現(xiàn)在左右壩肩底部；下游面梁應(yīng)力基本都為壓應(yīng)力，最大值為-3.69MPa，出現(xiàn)在拱冠梁底部。由圖4可見，孔口梁應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且應(yīng)力值較小，最大值為-3.67MPa，出現(xiàn)在取水口下游。

4.2 拱應(yīng)力

從拱應(yīng)力圖中可看到，上游面拱應(yīng)力壩底應(yīng)力，數(shù)值都不大，最大拉應(yīng)力為0.65MPa，出現(xiàn)在左右壩肩而最大壓應(yīng)力為1.11MPa出現(xiàn)在左右壩肩頂部；下游面拱應(yīng)力基本都為壓應(yīng)力，最大值為-2.96MPa，出現(xiàn)在左右壩肩。由圖5可見，孔口梁應(yīng)力也均為壓應(yīng)力，且應(yīng)力值很小，最大值為-1.74MPa，出現(xiàn)在取水口下游。

5 結(jié) 語

從計算成果看到，雖然開孔了，但由于拱壩是一個整體，荷載都轉(zhuǎn)由基礎(chǔ)的其它部分承擔(dān)。計算結(jié)果看到右壩肩上局部應(yīng)力超標(biāo)，其他部位應(yīng)力分布基本也是對稱的，說明沖沙孔和取水開孔的對壩體應(yīng)力分布的影響不明顯。壩體部分除基本荷載組合梁的拉應(yīng)力略有超標(biāo)外(超0.46MPa，由于該壩工作多年，可以認(rèn)為大壩安全)，其它的應(yīng)力指標(biāo)都在許用范圍內(nèi)。超標(biāo)的部分在左右壩肩上游面底部很小的部分。孔口附近應(yīng)力較小，設(shè)置取水口也后不影響大壩正常運行。

[1]李守義,陳堯隆,梁柱.硤門水庫拱壩應(yīng)力分析[J].甘肅水利水電技術(shù)，1995(03)：33-37.

[2]李艷，劉軍，張淑英.石門坎水電站拱壩壩體應(yīng)力分析[J].河南水利與南水北調(diào)，2009(05)：85-87.

DamOpeningStressCalculationforLipingshuangjiangHydropowerStation

LI Yao-gui

(Guizhou Province Water Conservancy & Hydropower Investigation, Design and Research Institute, Guiyang 550002, China)

In hydroelectric power station engineering construction, arch dam is widely used in hydropower station because of its unique advantages. In the arch dam design process, the opening stress calculation is an important part and it plays an important role in the rational design of arch dam，therefore effective measures must be taken to calculate stress of arch dam. In this paper, the dam body stress is analyzed after opening the hole in the arch dam of Lipingshuangjiang hydropower station by using ANSYS modeling, and the impact on the arch dam is analyzed according to the calculation results.

Lipingshuangjiang River；hydropower station；arch dam；opening；stress；calculation

1007-7596(2014)03-0029-03

2013-10-10

黎耀貴(1983-)，男，壯族，廣西賓陽人，助理工程師。

TV642

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