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        龍王塘水庫(kù)大壩預(yù)應(yīng)力錨固工程數(shù)值模擬研究

        2010-08-08 07:20:04徐雪飛許勁松
        東北水利水電 2010年11期
        關(guān)鍵詞:龍王壩段設(shè)計(jì)方案

        徐雪飛 ,許勁松 ,趙 鵬 ,遲 穎

        (1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水工結(jié)構(gòu)教研室,遼寧大連110624;2.大連市水利建筑設(shè)計(jì)院,遼寧大連116001)

        預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)最大特點(diǎn)是盡可能少地?cái)_動(dòng)被錨固體,是最為高效和經(jīng)濟(jì)的加固技術(shù)。世界上第一例采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固的工程是阿爾及利亞的舍爾法壩,之后預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)廣泛應(yīng)用于土木、水利等工程領(lǐng)域。預(yù)應(yīng)力錨索加固大壩用于解決如下問題:提高大壩壩基抗滑穩(wěn)定;加固補(bǔ)強(qiáng)壩體裂縫或局部損壞;抵抗上浮力,削減消除壩踵拉應(yīng)力,提高整體穩(wěn)定性等。但是很多工程設(shè)計(jì)之初是基于二維計(jì)算的,現(xiàn)在隨著大型三維土木計(jì)算軟件的開發(fā)應(yīng)用,可以進(jìn)行更精確、合理的計(jì)算、研究與設(shè)計(jì)。文中將ANSYS,F(xiàn)LAC3D,TECPLOT三大軟件結(jié)合運(yùn)用,對(duì)龍王塘水庫(kù)重力壩預(yù)應(yīng)力錨固工程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

        1 龍王塘水庫(kù)預(yù)應(yīng)力錨固工程原設(shè)計(jì)

        龍王塘水庫(kù)位于大連市旅順口區(qū),1925年建成,已經(jīng)運(yùn)行80多年,壩體有很多隱患。2008年大連市水利建筑設(shè)計(jì)院對(duì)龍王塘水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì),校核計(jì)算發(fā)現(xiàn)擋水重力壩(最大壩高40.8 m)壩踵處出現(xiàn)拉應(yīng)力,需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固工程消除拉應(yīng)力。成果見表1。

        原預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)方案按圖1在+0-+158.38段共6個(gè)壩段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索施工,布置錨索32根,采用粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索,單排布置,距上游鉛直壩面1.2 m。通過對(duì)6個(gè)壩段分別取其最大壩斷面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,最后確定單根預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)張拉力為3 000 kN。每根錨索由21根7φ5鋼絞線組成,鉆孔孔徑為180 mm,內(nèi)錨固段采用水泥漿粘結(jié)。錨索間距為3~8 m,為改善錨固段部位的應(yīng)力狀態(tài),錨索長(zhǎng)、短相間布置,深入基巖10~13 m。

        表1 重力壩壩踵應(yīng)力計(jì)算成果表(加固前) MPa

        圖1 預(yù)應(yīng)力錨索縱剖面布置圖

        2 工程三維數(shù)值模擬

        2.1 原設(shè)計(jì)方案三維數(shù)值模擬

        為了克服FLAC3D軟件難以建立復(fù)雜的模型,而且容易出錯(cuò)的缺點(diǎn),用ANSYS建立有限元模型、劃分網(wǎng)格,采用程序把復(fù)雜模型導(dǎo)入FLAC3D計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入TECPLOT軟件以顯示結(jié)果云圖。模型采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。

        表2 模型材料參數(shù)

        表2為導(dǎo)入FLAC3D的龍王塘模型參數(shù),在模擬過程中發(fā)現(xiàn)材料參數(shù)的選取對(duì)模擬結(jié)果會(huì)產(chǎn)生大的影響,文中的材料參數(shù)結(jié)合《龍王塘水庫(kù)大壩工程地質(zhì)勘查報(bào)告》與參數(shù)試算,以及工程運(yùn)行現(xiàn)狀選取的,使模擬結(jié)果更貼近實(shí)際。

        根據(jù)報(bào)告中的計(jì)算進(jìn)行模型加載計(jì)算,應(yīng)力云圖為沿距上游面1.2 m處的軸向切面圖。見圖2。

        圖2 加錨前應(yīng)力等值線圖 σ3/Pa

        由FLAC3D輸出的錨索軸向力圖3看出有4根軸力變小的錨索,即從圖1的左側(cè)數(shù)為第16,18,26,29根,說明錨索預(yù)應(yīng)力并未完全施力。由圖2可以看出,壩體中間幾個(gè)壩段壩踵處并不存在拉應(yīng)力,只有兩端壩肩附近存在拉應(yīng)力。

        經(jīng)過加固前后的兩云圖(圖2、圖4)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)錨固后拉應(yīng)力區(qū)變小,壓應(yīng)力區(qū)變大(兩大應(yīng)力區(qū)以0值線為分界,大于0值的區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力,小于0的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力),但加固后的兩端壩踵拉應(yīng)力也并未完全消失,故結(jié)合以上對(duì)比分析,考慮研究方案在圖1的+0-+33.23、+108.58-+158.38之內(nèi)的3個(gè)壩段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨固。

        圖3 原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索軸力圖 σ3/N

        圖4 原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力等值線圖 σ3/Pa

        2.2 研究方案三維數(shù)值模擬

        在靠近壩體上游面采用預(yù)應(yīng)力錨固,既可以增加壩體的抗滑穩(wěn)定,又可以消除壩踵拉應(yīng)力?!痘炷林亓卧O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定有限元法計(jì)算的壩基應(yīng)力其上游面拉應(yīng)力區(qū)寬度,宜小于壩底寬度的0.07倍,或小于壩踵至帷幕中心線的距離,不作二維處理的壩體或壩段,局部應(yīng)力值可不受規(guī)范中的應(yīng)力指標(biāo)的規(guī)定,并結(jié)合《水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》和二維校核結(jié)果進(jìn)行3個(gè)壩段的預(yù)應(yīng)力錨索布置。

        研究方案利用預(yù)應(yīng)力與錨固長(zhǎng)度的正比關(guān)系、避免群錨失效的長(zhǎng)短間隔布置等原則,以及借助FLAC3D實(shí)現(xiàn)的錨索破壞顯示以及模型材料彈塑性,比較多組方案結(jié)合壩頂寬度限制,最終確定錨索采用粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索,單排布置在兩端壩肩的第1,5,6三個(gè)壩段,錨固長(zhǎng)度10 m與13 m間隔布置。結(jié)合原設(shè)計(jì)方案的二維計(jì)算,使每壩段預(yù)應(yīng)力總和與原設(shè)計(jì)方案相同,錨索間距及錨固長(zhǎng)度不變,第一壩段施加3 000 kN/根的預(yù)應(yīng)力,后面五、六壩段兩根預(yù)應(yīng)力錨索分別施加預(yù)應(yīng)力4 000 kN與2 000 kN,錨索布置圖5。設(shè)計(jì)方案預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力等值線見圖6。

        圖6 錨索布置圖

        圖7 設(shè)計(jì)方案預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力等值線圖

        圖8 預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力比較

        從圖6看兩端加預(yù)應(yīng)力錨索同時(shí)也改善了壩中段的應(yīng)力條件,增加了壓應(yīng)力帶,體現(xiàn)了大體積混凝土群錨的加固效應(yīng),即在巖體表面的壓縮效應(yīng),錨索錨固段的長(zhǎng)短間隔布置又避免了群錨在錨固末端形成拉應(yīng)力集中帶。預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力比較見圖7。

        由圖7的應(yīng)力比較知,減少中間壩段預(yù)應(yīng)力錨索的研究方案與原設(shè)計(jì)加固方案應(yīng)力幾近重合,都未完全改變壩踵拉應(yīng)力狀況。

        3 結(jié)語(yǔ)

        1)FLAC3D軟件在建立復(fù)雜模型及模型網(wǎng)格劃分方面存在弊端,本文結(jié)合了ANSYS,F(xiàn)LAC3D,TECPLOT三大軟件分別在建模、巖土計(jì)算以及結(jié)果顯示的優(yōu)勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)了龍王塘預(yù)應(yīng)力錨固工程的三維數(shù)值模擬。

        2)從模擬結(jié)果看原工程的加固方案并未完全消除兩壩肩附近的壩踵拉應(yīng)力,而規(guī)范規(guī)定當(dāng)有限元計(jì)算時(shí),壩體壩基上游面當(dāng)計(jì)入揚(yáng)壓力后,允許拉應(yīng)力區(qū)存在一定寬度,所以研究方案在壩體中段不設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索。從研究方案的應(yīng)力云圖看,盡管中段未加預(yù)應(yīng)力,但壩體整體應(yīng)力也得到了改善,拉應(yīng)力區(qū)縮小,壓應(yīng)力區(qū)相對(duì)增大,存在壩踵拉應(yīng)力的壩段應(yīng)力條件同樣得到了一定程度的改善。

        3)三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示,通過二維計(jì)算并不能很好地模擬工程實(shí)際,對(duì)有更高要求的工程,可能得不到最為合理可行的設(shè)計(jì)方案,故此后設(shè)計(jì)可結(jié)合二維計(jì)算及本文提出的三大軟件聯(lián)合運(yùn)用的三維數(shù)值模擬,從而得到更合理、更經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力錨固方案。

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