孫卓

（臨沂市水政監(jiān)察支隊(duì)，山東 臨沂 276000）

基于ANSYS橡膠壩底板改進(jìn)的可行性研究

孫卓

（臨沂市水政監(jiān)察支隊(duì)，山東 臨沂 276000）

本文針對(duì)橡膠壩工程運(yùn)行過程中存在的問題，對(duì)橡膠壩混凝土底板的斷面設(shè)計(jì)提出改進(jìn)方案，并轉(zhuǎn)化為三個(gè)對(duì)比方案，再通過ANSYS軟件計(jì)算分析各方案在極端應(yīng)用條件下的應(yīng)力與位移，并據(jù)此對(duì)改進(jìn)方案的應(yīng)用前景進(jìn)行探討，供橡膠壩工程設(shè)計(jì)人員參考。

橡膠壩；底板；ANSYS；極端條件

橡膠壩在運(yùn)行過程中壩袋在過水壓力作用下，與平面底板貼合引起排水口封堵，造成壩袋內(nèi)的余水排出困難。為解決這一問題，作者曾提出過采用弧線形底板的方案，即將兩條錨線之間，水帽周圍的底板下凹，將下游錨固線以下的底板設(shè)計(jì)成折線、水力曲線或弧線。同時(shí)在原水平面加設(shè)必要水平支撐，避免壩袋下沉，使壩袋不再與底板貼合，保證排水通暢。

圖1 本文研究的橡膠壩設(shè)計(jì)剖面圖

1 ANSYS橡膠壩模型與條件加載

為了驗(yàn)證上述改進(jìn)方案的可行性。作者將該方案建立ANSYS有限元模型進(jìn)行受力分析。為了更明顯的體現(xiàn)底板及壩袋的應(yīng)力位移變化，在極端條件下進(jìn)行底板受力分析，即對(duì)底板混凝土強(qiáng)度、壩袋強(qiáng)度有關(guān)參數(shù)均偏低設(shè)置，而對(duì)上下游水位差、以及壩袋內(nèi)壓比均取《規(guī)范》[1]允許的最大值。在此條件下，橡膠壩接近破壞或已經(jīng)破壞時(shí)的工況下，分析底板及壩袋的受力。從而更有針對(duì)性的說(shuō)明底板改進(jìn)方案的可行性。

1.1 橡膠壩參數(shù)設(shè)定

如圖1，橡膠壩底板為C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，壩底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度11.42m，底板厚1.0m，底板高于地基0.3m，上下游均設(shè)深1.8m齒墻。

按《規(guī)范》[1]允許的最大壩高及最大內(nèi)壓，即壩袋擋水高度5.0m，內(nèi)壓比為1.60，壩袋膠布型號(hào)為JBD5.0-500-2，在設(shè)計(jì)工況下，壩袋橫斷面的幾何形狀為上游為R=4.5835m的圓弧段，弧長(zhǎng)7.62m，下游為變半徑曲線段，曲線長(zhǎng)8.31m，全段壩袋有效周長(zhǎng)15.93m。

壩袋橡膠為氯丁橡膠，壩袋帆布為錦綸6，織物組織方式為加強(qiáng)方平，壩袋厚度為20.3mm。為了使研究模型更加貼近實(shí)際工況，底板下選取3.0m厚，18.0m長(zhǎng)的地基，作為共同研究對(duì)象。

1.2 ANSYS橡膠壩模型的建立

根據(jù)研究需要，設(shè)置橡膠壩模型的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。其中底板的彈性模量及泊松比的選取依據(jù)GB50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取。由于壩袋由錦綸帆布和氯丁橡膠相互疊加而成，各層厚度已知，故通過單位面積的壩袋膠布，可計(jì)算得到壩袋的密度為1413.05kg/m3，但壩袋帆布由錦綸纖維編織而成，帆布有空隙，實(shí)際密度小于1000，因而壩袋的實(shí)際密度也小于上式計(jì)算值，故近似取壩袋密度為1400kg/m3。壩袋的彈性模量根據(jù)擬定的壩袋的扯斷強(qiáng)度800kN/m換算確定為表中上述值。定義完畢后的模型如圖2。

表1 橡膠壩模型有關(guān)材料參數(shù)表

圖2 常規(guī)橡膠壩三維模型

1．3 網(wǎng)格劃分與邊界條件加載

設(shè)置網(wǎng)格線密度為0.1m，并將網(wǎng)格統(tǒng)一劃分為六面體，以提高精確度。模型設(shè)為極限工況，即壩袋充漲到設(shè)計(jì)壩高，上游水位與壩袋設(shè)計(jì)高度等高，下游無(wú)水的情況。由于內(nèi)壓比定義可知，壩袋內(nèi)表面與錨固線間底板承受的水壓力為8m。在重力的作用下，水壓力在重力的作用下隨著高程的升高而逐步減小。壩袋上游自地基加載5.3m的水壓力。

2 ANSYS模型的驗(yàn)證

為了模型分析的誤差，使所得數(shù)據(jù)更貼近工程實(shí)際，利用該模型驗(yàn)證壩袋線性模擬計(jì)算的三個(gè)重要參數(shù)——壩袋密度、彈性模量、泊松比與壩袋變形的關(guān)系。在初始設(shè)定條件下進(jìn)行計(jì)算，得到的壩袋變形示意圖，如圖3。

圖2 初始設(shè)定條件下壩袋計(jì)算變形圖m

2．1 材料密度與壩袋變形相關(guān)性驗(yàn)證

首先保持其他參數(shù)不變，改變壩袋密度，將壩袋密度設(shè)置為1000kg/m3、2000kg/m3、3000 kg/m3，相應(yīng)壩袋最大變形量為2.856m，2.869m和2.881m。

壩袋材料密度與壩袋變形最大值的近似關(guān)系曲線解析式為y=1E-05+2.8436。由此可見，隨著壩袋密度的增加，壩袋變形在重力的影響下也越明顯。因而兩者之間正相關(guān)的一次線性關(guān)系與實(shí)際情況是相符合的。

2．2 彈性模量與壩袋變形相關(guān)性驗(yàn)證

同理，保持其他參數(shù)不變，將壩袋材料彈性模量設(shè)置為7E+9、9E+9帕。于是得到壩袋材料彈性模量與壩袋變形最大值的近似關(guān)系曲線解析式為y=229+10/X。由此可見，壩袋材料彈性模量與壩袋變形最大值之間呈反比關(guān)系。而根據(jù)彈性模量的定義，彈性模量E是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力，即可知在外力作用不變的情況下，彈性模量與壩袋變形最大值之間應(yīng)當(dāng)呈反比關(guān)系。因而作者得到的壩袋材料彈性模量與壩袋變形最大值的關(guān)系曲線是與實(shí)際情況相符合的。

2．3 泊松比與壩袋變形相關(guān)性驗(yàn)證

再將泊松比依次設(shè)置為0.40、0.42、0.46。于是得到壩袋材料的泊松比與壩袋變形最大值的近似關(guān)系曲線解析式為y=1.965x+1.9963。隨著泊松比的增大，壩袋變形也會(huì)相應(yīng)增大。因而兩者之間正相關(guān)的一次線性關(guān)系與實(shí)際情況是相符合的。

3 ANSYS模擬計(jì)算與評(píng)價(jià)

為了具體研究底板斷面不同引起的應(yīng)力變化，除了現(xiàn)行的平面底板方案，模擬三種斷面的對(duì)比方案。（1）下游下傾方案。即下游錨固線以下下傾4.5°。（2）開槽方案，即在方案（1）的基礎(chǔ)上，沿橡膠壩壩袋中心線開一個(gè)斷面較小、與壩袋等長(zhǎng)的貫通凹槽；（3）折線形方案，即在方案（1）的基礎(chǔ)上，上下游錨固線之間底板上平面整體下凹的斷面形式。

3.1 ANSYS模擬計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過ANSYS模擬計(jì)算，得到四種方案底板部分的水平位移云圖。通過觀察水平位移云圖發(fā)現(xiàn)，橡膠壩有限元模型在下游錨固線處發(fā)生了拉伸破壞。

該模型的意義主要在于以下方面：（1）能夠反映橡膠壩底板的應(yīng)力應(yīng)變的分布、變化規(guī)律；（2）證明混凝土底板在強(qiáng)度等級(jí)較低的情況下，除需要采取局部加密鋼筋等措施應(yīng)對(duì)局部拉伸以外，完全能夠滿足工程需要。這與橡膠壩造價(jià)低、工期短、施工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)是相適應(yīng)的。

3.2 應(yīng)力位移數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過ANSYS模擬計(jì)算，能夠得到現(xiàn)行方案與三種對(duì)比方案各自的X（水流方向）、Y（豎直方向）、Z（壩體軸線方向）及其矢量和的應(yīng)力、位移云圖及其相應(yīng)極值。由于模型截取典型橫斷面，不分析Z向的應(yīng)力與位移。

3.3 計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比分析

三個(gè)改進(jìn)方案中，折線形底板方案對(duì)改善壩袋排水最有利，底板開槽方案次之，傾斜下底板方案的改進(jìn)效果最不明顯；傾斜下底板方案的應(yīng)力和位移情況最優(yōu)，底板開槽方案次之，折線形底板方案的應(yīng)力和位移狀態(tài)最不利。作者傾向于對(duì)底板開槽方案進(jìn)行繼續(xù)研究和優(yōu)化，該方案具備較大的推廣價(jià)值和實(shí)用意義。

4 結(jié)論

壩袋變形與壩袋材料的彈性模量、泊松比以及密度存在一定的線性關(guān)系。如果彈性模量、泊松比以及密度取值較準(zhǔn)確，一般情況下采用實(shí)體元素的誤差較小。

底板優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在實(shí)際中較為可行，其中可以將下游錨固構(gòu)件以下的直線型設(shè)計(jì)改為折線，在底板上開溝槽方案的力學(xué)條件最優(yōu)，降低錨固槽間底板高程方案的運(yùn)行效果最好。這些改進(jìn)可為進(jìn)一步優(yōu)化底板設(shè)計(jì)方案提供參考。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T50979-2014橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014．

[2]孫卓．橡膠壩底板設(shè)計(jì)改進(jìn)方案探討[J]．三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（3）：30-33．

[3]孫卓．基于ANSYS的橡膠壩安全分析及其底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]．宜昌：三峽大學(xué)，2009．

（責(zé)任編輯遲明春）

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2016-06-09

孫卓（1987—），男，助理工程師