◇重慶市水利電力建筑勘測設計研究院 曾貝佳

橡膠壩表面設有溢流孔，方便切換攔水和阻水狀態(tài)，同時橡膠壩自重小，方便施工，容易維修和拆除，是小型水利樞紐中最適宜的建造方式之一。同時，橡膠壩由于自重小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不如重力壩等其他壩體結(jié)構(gòu)。因此，在設計橡膠壩時考慮結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性是其重中之重。在此背景下，本文以重慶合川某小型橡膠壩為例，借助三維有限元計算模型，詳細研究了橡膠壩在最不利運營工況下的受力、位移分析，為實例工程的可行性提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實例工程概況及基本條件介紹

1.1 橡膠壩概況

橡膠壩自重小，方便施工，一般用于擋水水深小于10 m，上下游水頭差小于5 m的小型水利工程?？紤]到本文研究目的是分析橡膠壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)合橡膠壩的實際特點以及筆者掌握的可供計算的研究實例，本文選擇重慶合川某小型橡膠壩為實例工程。

該工程位于重慶合川尉河水庫，距離合川市區(qū)約38.5 km，主體結(jié)構(gòu)為鋼混結(jié)構(gòu)。壩體總長為75.35 m，壩室段分為前后兩部分，共14.8 m（7 m+7.8 m）；上下游連接段分別長為35 m與38 m。壩頂高程為565.30 m，建筑物級別為Ⅳ級。

1.2 特征水位

經(jīng)過對工程區(qū)域近十年的水文資料分析驗算，工程區(qū)域的常水位為557.35 m，20年一遇的防洪水位為563.55 m，對應的洪水流量為9.75 m3/s；20年一遇的低水位為549.65 m。

2 模型建立

2.1 三維有限元模型建立

常用的三維有限元軟件有ANSYS、邁達斯-GTS等?？紤]到模型的穩(wěn)定性、計算精度以及本實例工程的特征狀態(tài)，本文選擇ANSYS作為研究軟件。本文建立的三維模型如圖1所示，其中橡膠壩截面采用設計方案的螺線曲面，網(wǎng)格劃分采用正方形網(wǎng)格，間距取3 m～5 m。

圖1 三維模型建立及整體網(wǎng)格劃分

2.2 計算工況分析

結(jié)合實例工程的水文分析、設計圖紙等資料，本工程最不利工況為下游斷流狀態(tài)下，工程前沿擋水高度為3.0 m?？紤]到做幾組對比工況進一步復核實例工程的穩(wěn)定性，因此本文共設計了四組工況，均是在下游斷流狀態(tài)下；上游壩前的水深值依次取0～4 m，計算步長間距為1 m，依次記為工況一至工況五。

3 計算結(jié)果分析

3.1 壩體應力分布

工況1至工況5下的應力分布計算結(jié)果與應力分布云圖分別見表1與圖2。

表1 各工況下應力大小統(tǒng)計結(jié)果

圖2 各工況下應力分布結(jié)果（考慮到篇幅原因，云圖只列出工況1與工況5的應力計算結(jié)果）

（1）在各工況下，實例工程的最大應力受力位置主要在右岸側(cè)的錨固點，在壩前水深為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m的工況下，最大應力依次為9.49 MPa、9.48 MPa、9.33 MPa、8.88 MPa、7.54 MPa，依次遞減。

（2）各工況下，最大應力為9.49 MPa，小于設計要求的18.0 MPa，滿足設計要求。

（3）X方向應力及Y方向受到的應力隨水深變化的趨勢一致，均是隨著水深增大呈正單調(diào)遞減的狀態(tài)。

3.2 壩體位移分析

工況1至工況5下的位移分布計算結(jié)果與應力分布云圖分別見表2與圖3。

表2 實例工程位移計算結(jié)果

圖3 各工況下位移分布結(jié)果（考慮到篇幅原因，云圖只列出工況1與工況5的位移計算結(jié)果）

（1）在各計算工況下，實例工程的最大豎向位移比較平均，在同一工況下，實例工程結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的任意兩個網(wǎng)格節(jié)點的最大位移與最小位移的差值小于0.0000204 m。

（2）在各計算工況下，實例工程的最大橫向主要集中在壩頂和壩體上游臨水側(cè)。

（3）總體來看，在各工況下，實例工程的總體位移較小，結(jié)構(gòu)總體安全、可靠。

4 結(jié)論

本文借助ANSYS有限元計算模型，以重慶合川某橡膠壩為實例工程，對橡膠壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果顯示：

（1）實例工程的總體應力、橫向應力隨水深變化的趨勢一致，均是隨著水深增大呈正單調(diào)遞減的狀態(tài)。且在各最不利工況下，最大應力為9.49 MPa，小于設計要求的18.0 Mpa，滿足設計要求

（2）總體來看，在各工況下，實例工程的總體位移較小，最大的位移僅0.0278 m，趨近于0，結(jié)構(gòu)總體安全、可靠。