李智高

（广西水利科学研究院，广西 南宁 530023）

【摘 要】结构安全性评价是水工建筑物维修与加固的关键环节。文章通过对典型混凝土重力坝正常蓄水位工况下变形、应力与抗滑稳定的有限元仿真分析，对该重力坝进行工程复核计算，并开展安全性评价。结果表明：该混凝土重力坝位移数值较小，混凝土应力、坝基应力和坝基抗滑稳定均满足规范要求。

【关键词】混凝土重力坝；有限元；安全评价

【中图分类号】TV642.3 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）03-0109-04

0 前言

水工建筑物是抗御洪涝、干旱等自然灾害的重要基础设施[1]，对保障我国经济社会的可持续发展至关重要。一旦水工建筑物失事，将严重影响工农业生产和发展，给国家和人民生命财产带来不可估量的损失[2]。因此，对既有水工建筑物的安全性状态进行正确评价分级，对既有水工建筑物的维修与加固具有十分重要的现实意义。目前，水工建筑物安全性评价体系包括工程现状的调查分析、现场安全检测、工程复核计算和安全性总体评价[3]，其中，工程复核计算结果直接指导最终的安全性评价结论，是水工建筑物安全性评价中的重要环节。

本文以一座典型的混凝土重力坝为研究对象，采用ANSYS有限元仿真分析方法[4]，对该重力坝变形应力与抗滑稳定进行综合计算，并开展相应的安全性评价。分析结果有助于有限元仿真模拟这一先进分析方法在水工建筑物安全性评价中的应用。

1 计算模型

典型混凝土重力坝坝高27 m，有限元模型如图1、图2所示。模型计算范围向上游、下游、基岩截取2倍坝高，采用六面体八节点和五面体六节点等参单元进行网格剖分，共剖分18 210个单元，其中混凝土坝体单元有10 860个，坝基单元有7 350个。混凝土单元密度取24 kN/m3，弹性模量取1.85×104 MPa，泊松比取0.167，抗压强度取3.346 MPa；坝基单元密度取2.80 kN/m3，弹性模量取0.92×104 MPa，泊松比取0.3，容许压应力取3.0 MPa。

2 计算工况

在正常蓄水位下，混凝土重力坝工程复核计算应考虑坝体自重、正常蓄水位静水压力、相应的扬压力及浪压力[5]，在ANSYS仿真分析中各荷载计算如下。

2.1 坝体自重

通过设置竖向重力加速度和混凝土密度，由ANSYS自主计算，以体力形式施加到坝体单元上。

2.2 静水压力

规范规定，垂直作用于坝体表面某点的静水压强计算公式如下：

Pw=γw H（1）

公式（1）中：Pw為计算点处的静水压强；γw为水的重度；H为计算点处的作用水头。

在ANSYS仿真分析中，静水压力以面力形式施加到坝体单元上。

2.3 扬压力

由于实际工程中混凝土重力坝段常设置防渗帷幕和排水设施，故扬压力在排水孔处进行折减计算。坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为H1，排水孔中心线处为H2+α（H1-H2），下游（坝址）处为H2，其间各段依次以直线连接，渗透压力强度系数α由《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2005）[5]中的“表B.3.1”查得，计算简图如图3所示。

在ANSYS仿真分析中，扬压力以面力形式施加到坝体底部单元。

2.4 浪压力

单位长度迎水面上的波浪力Pwk：

（2）

（3）

（4）

在ANSYS仿真分析中，浪压力以集中力形式施加到坝体单元上。

3 结果分析

3.1 位移、应力分析

混凝土重力位移、应力云图如图4所示。计算结果分析如下。

（1）混凝土重力坝在正常蓄水位下顺水流均为向下游位移，随坝高增加而逐渐增加，最大顺水流位移出现在坝顶，竖向位移均为向下位移，随坝高增加而逐渐减小，在坝踵处最小，符合重力坝坝体位移分布的一般规律。坝顶顺河向最大位移为0.824 mm，竖直向最大位移为0.902 mm，位移数值均不大。

（2）混凝土重力坝在正常蓄水位下，坝踵处竖向应力均为压应力，未出现拉应力，满足规范要求；坝趾处压应力最大值为-1.05 MPa，小于坝基容许压应力，满足规范要求。

（3）考虑扬压力，坝体部位上游面的竖向应力均为压应力，未出现拉应力，满足规范要求；坝体最大主压应力较小，最大值为-0.48 MPa，小于混凝土的允许压应力值，满足规范要求。

（4）混凝土重力坝坝基面及坝体第一主应力在坝踵处出现拉应力，拉应力水平不高，小于混凝土抗拉强度，且拉应力区长度在1.4 m以内，小于允许的计算截面宽度的7%。同时，第三主应力在坝址处为压应力，压应力水平不高，小于基岩容许压应力，满足规范要求。

3.2 抗滑穩定分析

分别采用抗剪断公式和抗剪公式对混凝土重力坝坝基面进行抗滑稳定分析，相应的计算公式如下：

（5）

（6）

式中：K'为抗剪断计算的抗滑稳定安全系数；K为抗剪计算的抗滑稳定安全系数；f '为滑动面上的抗剪断摩擦系数；f为滑动面上的抗剪摩擦系数；∑P为滑动力，所有荷载水平分力之和；G为作用于计算截面以上坝体的全部垂直向荷载（包括扬压力）；c'为抗剪断凝聚力；A为单位宽度坝基面积。

参照类似工程，混凝土与坝基接触面之间的力学参数范围如下：c'=1.30～1.10 MPa，f '=1.30～1.10，f=0.65～0.75。本文取c'=1.10 MPa，f '=1.10，f=0.70进行重力坝坝基抗滑稳定验算。计算结果（见表1）表明，坝基抗滑稳定性和安全性满足规范要求。

4 小结

本文采用ANSYS有限元分析方法从坝体变形及抗滑稳定方面对重力坝进行安全评价，验证设计阶段坝体的安全性和可靠性，同时为进一步优化大坝结构的设计提供依据。

在实际工程中应借助有限元分析方法，通过建模对坝体变形应力与抗滑稳定进行安全性评价，并依据评价结果优化设计，以达到运用于实际工程的效果。

参 考 文 献

[1]潘家铮.重力坝设计[M].北京：水利电力出版社，1987.

[2]米文静.混凝土重力坝防洪安全复核方法的研究[D].西安：西北农林科技大学，2013.

[3]聂广明.重力坝结构安全评价[J].大坝与安全，2015（1）：27-32.

[4]宋光明.某混凝土重力坝有限元静动力分析[D].昆明：昆明理工大学，2015.

[5]SL 319—2005，混凝土重力坝设计规范[S].

[责任编辑：陈泽琦]