基与ANSYS的重力坝静动力计算分析

基与 ANSYS的重力坝静动力计算分析

韦锦鹏

安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 安徽合肥 231600

摘要：重力坝作为常见的挡水建筑物，应用广泛且安全可靠。自2008年汶川地震后，国家更加重视水工建筑物的抗震能力，重力坝的抗震分析成为工程设计中关键的一环。为确保桃源河水库重力坝的安全运行，给结构设计提供依据，通过ANSYS软件建立三维有限元模型，对重力坝正常蓄水位工况进行静动力分析。

关键词：重力坝；静力计算；反应谱法；抗震分析

Static and dynamic calculation and analysis of gravity dam based on ANSYS

Abstract: As a common water retaining structure, gravity dams are widely used and reliable. Since the Wenchuan earthquake in 2008, our country has paid more attention to the seismic capacity of hydraulic structures, which makes the seismic analysis of gravity dam becoming a key part of the engineering design. In order to ensure the Taoyuanhe Dam running safety, the static and dynamic analysis of the finite element model established by ANSYS under normal storage level conditions is carried out, which providing a basis for structural design.

Keywords: gravity dam; static calculation; response spectrum method; seismic analysis

中图分类号：TV331 文献标识码：A

一、工程概况

安徽省霍山县桃源河水库位于淮河流域东淠河水系深水河支流桃源河上，是一座以防洪、供水为主，兼有灌溉、生态等综合效益的水利工程。水库全流域面积129km²，设计正常蓄水位173.5m（85高程系.下同），汛限水位170.5m，死水位155m，20年一遇设计洪水位176.46m，防洪高水位179.07m，50年一遇设计洪水位179.07m，500年一遇校核洪水位180.62m。水库总库容907万m³，防洪库容357万m³，兴利调节库容480万m³，死库容101.2万m³。依据《防洪标准》（GB 50201-2014）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），桃源河水库工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（1）型，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。

枢纽工程主要由大坝、溢洪道、放空冲沙底孔闸以及供水、灌溉和生态放水涵闸等建筑物组成。大坝为混凝土重力坝，坝长283m，坝顶宽7m，坝顶高程182.3m，最大坝高52.9m。

二、基本参数及计算模型

1.计算基本参数：

（1）上游正常蓄水位173.5m；500年一遇校核水位180.62m。

（2）混凝土容重24kN/m³；水容重9.8kN/m³。

（3）根据规范《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）霍山县地震峰值加速度0.15g，反应谱特征周期0.35s，地震烈度Ⅶ。

（4）混凝土强度标号C15,C25,C30;根据《重力坝设计规范》计算地震工况时，动弹性模量为材料静弹性模量的1.5倍；地基弹性模量23GPa，泊松比0.23，其动弹性模量55GPa，泊松比0.21。

（5）混凝土泊松比：0.167。

（6）地震反应谱：基本反应谱如下图：

图中：计算重力坝时，标准设计反应谱最大值代表值βmax=2。；Tg为反应谱特征周期。

反应谱曲线计算生成的数据如下：

2.计算模型

本次抗震计算分析利用ANSYS进行有限元分析。取重力坝坝高最高的典型剖面建立有限元网格模型。为了便于计算分析以及对比结果，静力计算模型与抗震分析的有限元网格划分一致。典型剖面以及有限元模型如下：

重力坝有限元模型坝体部分包含73339个节点、15313个单元；地基部分包含27906个节点、5950个单元。

三、计成成果

重力坝三维的计算成果如下：正常蓄水位工况情况下最大位移出现在坝顶，位移约2.27mm；最大拉应力出现在坝踵，约0.50Mpa;；校核水位工况情况下最大位移约3.13mm；最大拉应力约1.45Mpa；拉应力区顺水流向宽度约0.56m地震工况最大位移约3.25mm，最大拉应力1.89MPa。根据桃源河重力坝典型断面分区情况，坝踵区域为C30混凝土浇筑，该混凝土轴心抗拉强度标准值为2.01MPa。

四、结语

本文依据规范对桃源重力坝的地震工况进行了计算分析，成果分析表明：

（1）桃源河重力坝三种工况竖直向最大拉应力出现在正常蓄水位时地震工况下的坝踵区域，最大拉应力1.89MPa，小于设计的C30混凝土轴心抗拉强度标准值，满足规范要求；

（2）重力坝最大位移出现在地震工况下的坝顶处，最大位移3.25mm。

（3）拉应力区宽度0.56m，约占坝底宽度的1.5%倍，满足《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)中坝踵部位垂直拉应力区宽度以小于坝底宽度的0.07倍。

综上分析，桃源河重力坝非溢流坝段典型断面的静动力计算结果均满足规范要求，大坝非溢流坝段的整体结构是安全的。

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作者简介：韦锦鹏（1993-），男，汉，安徽省合肥市肥东县，工学硕士，助理工程师，水工结构工程。