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        溢流面板堆石壩泄槽底板水平錨拉筋的抗拔力計(jì)算

        2012-09-27 01:49:42楊美娥唐新軍王相峰
        關(guān)鍵詞:抗拔堆石壩溢流

        楊美娥,唐新軍,王相峰

        (新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊830052)

        0 引 言

        溢流混凝土面板堆石壩是于20世紀(jì)90年代初開始應(yīng)用并發(fā)展起來的一種新型溢流土石壩,即在面板堆石壩的下游壩體上直接設(shè)置溢洪道[1]。對(duì)于峽谷山區(qū),兩岸山體陡峭,不利于修建獨(dú)立溢洪道時(shí),采用溢流面板堆石壩則具有簡化樞紐布置、減少開挖量、降低工程造價(jià)的明顯優(yōu)勢,同時(shí)可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。

        1991年建成的澳大利亞克羅蒂大壩[3](Crotty Dam)是第一座在混凝土面板堆石壩大壩頂部設(shè)置溢洪道,并在壩的下游面設(shè)泄槽的溢流面板壩。我國繼第一座溢流面板堆石壩-新疆哈密榆樹溝溢流面板壩建成后,又陸續(xù)建成了浙江桐柏抽水蓄能電站下庫溢流面板壩、云南昌寧大城水庫溢流面板壩等。

        目前已建成的溢流面板堆石壩,大多都在泄槽底板下設(shè)置了若干層水平錨拉筋(見圖1),目的是增強(qiáng)泄槽與堆石壩體的連接,并依靠水平錨拉筋提供的抗拔力來提高泄槽的穩(wěn)定性[4-6]。但是,對(duì)于埋置在堆石壩體內(nèi)的水平錨拉筋所受土壓力的大小、分布特征以及所能提供的抗拔力,目前尚不十分清楚,也無明確統(tǒng)一的計(jì)算方法。

        圖1 某溢流面板堆石壩泄槽底板水平錨拉筋布置示意圖

        本文采用有限元[7]分析方法,對(duì)不同壩高、不同壩坡的多個(gè)溢流面板堆石壩方案進(jìn)行壩內(nèi)應(yīng)力計(jì)算分析,通過對(duì)豎向土壓力計(jì)算結(jié)果多元非線性回歸分析,擬合出下游壩體內(nèi)任意水平截面上豎向土壓力分布的計(jì)算公式,進(jìn)而推導(dǎo)出作用于水平錨拉筋上的抗拔力。

        1 溢流面板堆石壩下游壩體水平截面上豎向土壓力的分布曲線

        為獲得溢流面板堆石壩在運(yùn)行情況時(shí)下游壩體內(nèi)水平截面上的豎向土壓力分布,根據(jù)已建面板壩工程的參數(shù),設(shè)計(jì)了17個(gè)不同壩高(67.5 m~90.0 m)、不同壩坡(1∶1.4~1∶2.2)、不同壩頂寬度(6 m~12 m)以及不同填筑料參數(shù)[8]的壩體計(jì)算方案。運(yùn)用有限元軟件ABAQUS[9-11]對(duì)上述17個(gè)壩體計(jì)算方案分別建模進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí)將二維模型進(jìn)行了一定簡化,取上游水位與壩頂齊平,基巖沿水平方向從上、下游坡腳分別向上、下游取1.0倍壩高的長度,垂直方向厚度取1.0倍的壩高,基巖底部采用固定約束,兩邊約束水平向自由度。上游混凝土防滲面板厚度為0.4 m,計(jì)算時(shí)假設(shè)面板不透水?;炷练罎B面板、基巖按彈性材料計(jì)算,壩體填筑料采用鄧肯-張E-B模型計(jì)算。有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分示意圖見圖2?;鶐r、混凝土面板的彈性參數(shù)見表1。計(jì)算時(shí)所取壩體填筑料的鄧肯-張E-B模型參數(shù)范圍(分別與17個(gè)計(jì)算方案匹配進(jìn)行計(jì)算)見表2。

        圖2 有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分示意圖

        表1 基巖、混凝土面板彈性參數(shù)表

        表2 壩體填筑料的鄧肯-張E-B模型參數(shù)表

        根據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果,提取出每個(gè)計(jì)算模型的下游壩體內(nèi)不同水平截面上各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的豎向土壓力值σz,并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理及SPSS軟件,進(jìn)行多元非線性回歸分析,得到下游壩體內(nèi)埋置深度為z處水平截面上豎向土壓力σz分布的擬合公式如下:

        式中:γ0為壩體填筑料的重度(kN/m3);m為下游壩坡的邊坡系數(shù)(取值范圍:1.4~2.2);x、z分別為計(jì)算點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)(m),見圖3。

        圖3 豎向土壓力分布曲線比較圖

        圖3為一個(gè)壩高H=67.5 m,壩頂寬度6 m,壩體填筑料的重度為22 kN/m3,內(nèi)摩擦角為53°,粘聚力為0,上、下游邊坡系數(shù)均為1.6的溢流面板堆石壩模型,在上游水位與壩頂齊平的情況下,z=47.25 m的水平截面上豎向土壓力有限元計(jì)算結(jié)果和擬合公式計(jì)算結(jié)果的比較見圖3。圖3中,(a)為計(jì)算模型及下游壩體內(nèi)水平截面上豎向土壓力分布示意圖,(b)為該截面有限元計(jì)算結(jié)果和擬合公式(1)計(jì)算結(jié)果的比較圖。

        從圖3可知,下游壩體內(nèi)水平截面上的豎向土壓力呈曲線分布,采用擬合公式(1)得到的豎向土壓力分布曲線與有限元計(jì)算結(jié)果總體吻合較好。

        2 水平錨拉筋上的土壓力合力及抗拔力計(jì)算

        已建工程中,為了增大摩擦力、防止鋼筋銹蝕等,常將水平錨拉鋼筋用細(xì)?;炷涟?形成邊長為b的方形截面,圖4為泄槽底板之下水平錨拉筋的結(jié)構(gòu)示意圖。水平錨拉筋埋置在壩體內(nèi)時(shí),其所能提供的抗拔力即為其在壩體內(nèi)被拔出時(shí)所受的摩擦力。

        圖4 與泄槽底板相連的水平錨拉筋結(jié)構(gòu)示意圖

        由于水平錨拉筋的橫截面尺寸b較小,因此,假定作用于上、下表面的豎向土壓力均為σz,且大小、分布均相同,作用于兩側(cè)表面的側(cè)向土壓力均為σy。則作用于水平錨拉筋上、下、前、后四個(gè)面上土壓力的合力可根據(jù)擬合得到的豎向土壓力公式,按式(5)沿水平錨拉筋長度方向?qū)?σz、σy積分求得(見圖5):

        式中:P為作用于水平錨拉筋上的土壓力合力(kN);b為水平錨拉鋼筋由細(xì)?;炷涟蠓叫谓孛娴倪呴L(m);為y方向(壩軸線方向)的側(cè)向土壓力;φ為壩體填筑料的內(nèi)摩擦角。

        圖5 土壓力積分示意圖

        水平錨拉鋼筋的抗拔力按下式計(jì)算:

        式中:F為水平錨拉筋提供的抗拔力(kN);tanφ0為水平錨拉筋細(xì)?;炷帘砻媾c壩體填筑料的摩擦系數(shù)。

        3 算 例

        某一溢流面板堆石壩,壩高67.5 m,壩頂寬度6 m,上、下游壩坡均為1∶1.6;壩體填筑料重度 γ0=22 kN/m3,內(nèi)摩擦角為 φ=38°;由細(xì)?;炷涟乃藉^拉筋方形截面邊長b=0.1m,細(xì)?;炷帘砻媾c壩體填筑料之間的摩擦角取φ=20°,粘聚力c=0。分別選取埋置深度z為15 m、25 m、35 m、45 m,計(jì)算長度分別為4 m~12 m的水平錨拉筋進(jìn)行計(jì)算。

        將m=1.6代入式(2)、式(3)算得κz=0.862、n=1.381。將其代入式(4)、式(1)可以得到:

        (1)當(dāng)Z=15 m時(shí),a=-0.161,σz=22×(-0.161x1.381+12.93);

        (2)當(dāng)Z=25 m時(shí),a=-0.132,σz=22×(-0.132x1.381+21.55);

        (3)當(dāng)Z=35 m時(shí),a=-0.116,σz=22×(-0.116x1.381+30.17);

        (4)當(dāng)Z=45 m時(shí),a=-0.103,σz=22×(-0.103x1.381+37.98)。

        對(duì)以上四個(gè)式子,根據(jù)式(5)、式(6),沿水平錨拉筋長度進(jìn)行積分,可得到水平錨拉筋所受的土壓力合力和抗拔力,其計(jì)算結(jié)果見表3。

        表3 不同埋置深度下單根水平錨拉筋的土壓力合力及抗拔力

        圖6為當(dāng)水平錨拉筋的長度為9 m時(shí),土壓力合力和抗拔力隨埋置深度的變化曲線圖。

        圖6 水平錨拉筋長度為9 m時(shí)四種埋置深度下的土壓力、抗拔力曲線圖

        從表3及圖6可知:作用在水平錨拉筋上的土壓力和抗拔力呈曲線分布,隨著水平錨拉筋長度的增加,土壓力和抗拔力的增加速度較快。由于一般水平錨拉筋長度有限,且布置在靠近下游壩坡附近,因此,在水平錨拉筋長度相同情況下,隨埋置深度的增大,水平錨拉筋上的土壓力合力和抗拔力雖然有所增大,但增幅較小。

        4 結(jié) 語

        (1)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果得到的溢流面板堆石壩下游壩體內(nèi)水平截面上豎向土壓力呈曲線分布,下游壩體內(nèi)某一點(diǎn)的豎向土壓力大小主要與填筑料的重度 γ0、下游壩坡的邊坡系數(shù)m、埋置深度z及所處位置的橫坐標(biāo)x有關(guān)。采用擬合公式得到的豎向土壓力分布曲線與有限元計(jì)算結(jié)果總體吻合較好。

        (2)作用在水平錨拉筋上的土壓力和抗拔力呈曲線分布,隨著水平錨拉筋長度的增加,土壓力和抗拔力的增加速度較快。在水平錨拉筋長度相同情況下,隨埋置深度的增大,水平錨拉筋上的土壓力合力和抗拔力有所增加,但增幅較小。

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