基于三維有限單元的混凝土單支墩大頭壩安全性評價

張鐵

(遼寧省湯河水庫管理局， 遼寧 遼陽111000)

【摘要】混凝土大頭壩因其結構的特殊性，很難采用常規(guī)方式計算其壩體自重、揚壓力、慣性矩等，因此，很難通過常規(guī)理論計算對其安全性進行評價。本文結合桓仁水電站單支墩大頭壩，運用AUTOCAD建模和三維有限單元法剖分方式，計算分析了其動應力及應力分布，評價了現(xiàn)狀混凝土大壩安全性，希望對類似工程評價有所借鑒。

【關鍵詞】混凝土單支墩大頭壩； 安全性； 應力

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.09.017

中圖分類號：TV131

Safety evaluation of concrete single supporting pier massive-head buttress

dam based on three dimensional finite element

ZHANG Tie

(LiaoningTangheRiverReservoirAdministration,Liaoyang111000,China)

Abstract:It is difficult to adopt conventional method to calculate dam body dead weight, uplift pressure, moment of inertia, etc. of concrete massive-head buttress dam due to the structure specialty. Therefore, it is difficult to evaluate the safety through conventional theory calculation. In the paper, Huanren Hydropower Station single supporting pier massive-head buttress dam is combined. AUTOCAD modeling and three-dimensional finite element method subdivision modes are adopted for calculating and analyzing the dynamic stress and stress distribution. Current concrete dam safety is evaluated. It is expected that the paper can provide reference for similar projects evaluation.

Key words: concrete single supporting pier massive-head buttress dam; safety; stress

混凝土大頭壩是水電站建設應用較多的壩型，其具有體積大、散熱好、空腔揚壓力低、強度高、適應性強等優(yōu)點，是水利工程大壩設計首選壩型方案，如：磨子潭雙支墩大頭壩、柘溪水電站大頭壩以及桓仁水電站大頭壩等。大頭壩運行過程中出現(xiàn)了一些質(zhì)量問題，最主要的問題是大壩裂縫問題，包括頸部水平裂縫、垂直裂縫、上游面的劈頭縫等，這在一定程度上影響了大壩的安全運行以及該壩型方案的推廣?；炷亮芽p的出現(xiàn)與其結構特點有關，結構特點導致應力分布不均勻，局部出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，進而導致裂縫甚至更嚴重情況的出現(xiàn)。因此，混凝土大頭壩安全性評價對于大壩運行安全有著重要意義。

1工程概況

桓仁水電站是遼寧省境內(nèi)的一座大型水電站，水電站以發(fā)電為主要任務，兼顧防洪、灌溉，是一座綜合性水電站?；溉蚀髩卧O計標準為千年一遇洪水，大壩全長593m，壩高78.5m；設計和校核水位分別為307.6m、310.8m，正常水位和死水位分別為300m、290m。大壩自建設之初就發(fā)現(xiàn)有混凝土裂縫，相關資料統(tǒng)計顯示，大壩出現(xiàn)裂縫總量在2084條以上，包括垂直裂縫、劈頭裂縫和耳縫。其中危害性最大的為上游面的劈頭裂縫，可能導致上大頭與支墩出現(xiàn)剪切破壞，進而破壞大壩整體的穩(wěn)定性和引起大壩滲流。工程裂縫出現(xiàn)后采取了綜合性的加固措施，包括蓄水前回填上游三角槽、涂抹瀝青防滲層、采用砂漿棒措施，蓄水后采用瀝青混凝土防滲層、改造封腔蓋板等措施，取得了良好的加固防滲效果。對水電站大壩進行長期質(zhì)量監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析大壩運行安全性，保證大壩在出現(xiàn)問題情況下能夠及時進行修復。

2大頭壩的應力狀態(tài)分析

大壩安全性評價除了采用位移、滲流、大壩壩基揚壓力等數(shù)據(jù)進行分析外，還可結合現(xiàn)代化數(shù)值模擬軟件對大頭壩結構應力及其分布狀況進行分析，在一定程度上反映大頭壩運行狀況，對于監(jiān)測大壩運行安全性以及制定相應修復措施具有重要意義?；炷链箢^壩結構具有特殊性，對其動位移以及動應力的分析采用三維有限單元法方式，首先運用AUTOCAD軟件建立大頭壩模型，再結合超單元理論對整個模型進行剖分，最后對剖分所得節(jié)點進行有限元分析。

2.1理論計算

a.支墩頭部應力?；炷链箢^壩頭部應力分布比較復雜，對其應力計算需要進行簡化處理。常用方法為將混凝土支墩看作短懸臂梁，并按照相關材料力學計算理論進行分析，運用下式計算支墩頭部應力：

式中∑M——支墩底部中點揚壓力彎矩之和；

U——揚壓力；

L——將混凝土支墩視作短懸臂梁的長度；

Pl——上游壩面壓力。

b.壩基面應力。按照規(guī)范要求，寬縫壩壩體極值垂直正應力按材料力學理論計算，參照混凝土支墩應力分析方法，可得到壩基面的應力計算公式：

式中∑W——壩基面法向載荷總和；

∑Mx，∑My——載荷在x軸和y軸的力矩之和；

Jx，Jy——相應坐標軸慣性矩；

Tu，Td，TL，TR——y軸、x軸到上下游壩面的距離。

c.壩體穩(wěn)定性分析。壩體穩(wěn)定性分析主要通過壩體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)來衡量，抗滑穩(wěn)定性計算主要內(nèi)容為校核抗剪強度與校核抗剪斷強度，二者的區(qū)別在于后者計算過程中考慮了摩擦力與混凝土共同作用的影響，而校核抗剪強度只考慮了摩擦力作用。二者計算采用以下公式進行：

式中K，K′——抗剪強度穩(wěn)定性系數(shù)與抗剪斷強度穩(wěn)定性系數(shù)；

f， f′——抗剪摩擦系數(shù)與抗剪斷摩擦系數(shù)；

C——抗剪斷黏聚力；

A——截面積。

2.2三維有限單元計算分析

本文所采用的三維有限單元為8節(jié)點等參單元，所用程序能夠非常全面地計算混凝土大頭壩應力及應力分布情況，并且可根據(jù)要求調(diào)整大頭壩的計算工作，進而得到大頭壩在不同工況條件下的應力情況。該計算所包含的程序語句在800句左右，其中包含主程序1個、子程序15個，三維有限單元計算流程如下頁圖1所示。

圖1　三維有限單元計算程序流程

3應力計算結果

3.1靜力分析

由于混凝土大頭壩結構形狀的特殊性，用常規(guī)方法很難計算壩體自重、慣性矩、揚壓力等參數(shù)。而AUTOCAD軟件具有三維造型功能，可利用這一功能繪制大頭壩的立體模型，再依據(jù)實體計算方法確定所需計算的參數(shù)。按照設計規(guī)范，桓仁水電站大頭壩混凝土允許的拉、壓應力極限分別為1.8MPa和-5.0MPa；上游壩踵允許垂直應力極限為0.2MPa，抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為1.05、3.0；大壩抗剪參數(shù)與強度參數(shù)分別為0.7和1.15?；炷链箢^壩有限元計算結果見下表，其中拉應力為正、壓應力為負。

大頭壩應力計算結果表　單位：MPa

桓仁水電站大頭壩混凝土設計拉、壓應力值分別為1.1MPa和-10MPa。分析上表數(shù)據(jù)可知，大頭壩混凝土壩踵、壩趾應力值均在安全允許范圍內(nèi)；桓仁水電站混凝土大頭壩屬于2級建筑物，按照抗剪斷公式計算得到其在不同抗滑穩(wěn)定組合條件下安全系數(shù)均超過3.00和1.05，而有限單元計算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為3.20>3.00、1.18>1.05，均滿足要求。除上表所列內(nèi)容，計算得到壩段局部存在揚壓力偏高問題，屬于局部問題，不會對大壩安全造成較大影響，但仍需加強監(jiān)測，這一點與實際勘測情況相同。綜合表明，混凝土大頭壩現(xiàn)階段滿足穩(wěn)定運行要求。

3.2壩體應力分布

計算得到的混凝土大頭壩應力分布情況如圖2所示。

圖2　應力等值線分布(單位：MPa)

分析圖2中應力等值線分布情況可知，混凝土大頭壩壩體局部出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力集中部位主要為壩踵、上游折坡以及壩體空腔附近；混凝土單支墩頭部應力分布狀況較為復雜，分析認為此處應力集中為裂縫出現(xiàn)的主要原因；結合上述計算結果可知，支墩頭部最大拉應力值為0.11MPa，小于混凝土安全允許值，聯(lián)系大壩多年運行狀況，分析認為支墩頭部應力不會對壩體構成開裂威脅。

4結語

混凝土大頭壩結構具有特殊性，運用傳統(tǒng)力學計算方法直接對混凝土大頭壩進行應力計算存在難度，對壩體應力計算中可借助AUTOCAD建模與超單元剖分模型，對節(jié)點進行有限元計算。通過對桓仁水電站混凝土單支墩大頭壩三維有限單元計算得到，大頭壩混凝土壩踵、壩趾應力值均在安全允許范圍內(nèi)，壩體穩(wěn)定性符合要求，雖局部存在揚壓力偏高與應力集中現(xiàn)象，但結合大壩運行現(xiàn)狀分析認為大壩運行狀態(tài)正常，安全性在使用要求范圍內(nèi)。

參考文獻

[1]宋恩來.桓仁單支墩大頭壩安全性評價[J].東北電力技術,2008(6):1-6.

[2]宋恩來.桓仁單支墩大頭壩劈頭裂縫穩(wěn)定性分析[J].大壩與安全,2008(3):32-37,40.

[3]郝長生,徐巖彬,劉玉德,等.桓仁單支墩大頭壩位移及滲流監(jiān)測分析[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2009(6):60-63,83.

[4]蔣臘梅.大頭壩的動力可靠度及優(yōu)化[D].福州大學,2003.