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        龍?zhí)端畮鞚{砌石空腹重力壩結(jié)構安全分析評價

        2017-08-30 21:05:41
        黑龍江水利科技 2017年6期
        關鍵詞:分析

        段 飛

        (福建省漳州市水利水電勘測設計研究院 ,福建 漳州 363000)

        龍?zhí)端畮鞚{砌石空腹重力壩結(jié)構安全分析評價

        段 飛

        (福建省漳州市水利水電勘測設計研究院 ,福建 漳州 363000)

        龍?zhí)端畮煳挥诟=ㄊ≡t安縣東溪流域干流的中、下游結(jié)合部,控制流域面積722.0km2,是東溪流域干流最末一級開發(fā)的中型水利樞紐工程。文章通過對龍?zhí)端畮鞚{砌石空腹重力壩的抗滑穩(wěn)定、應力及變形三方面的計算分析,為空腹重力壩的結(jié)構穩(wěn)定作出評定依據(jù),并對重力壩的結(jié)構安全進行了綜合評價,同時為同類壩的結(jié)構安全評價作出參考。

        漿砌石空腹重力壩;變形分析;應力分析;抗滑穩(wěn)定

        0 前 言

        空腹重力壩是在重力壩體內(nèi)沿軸方向布置縱向空腹的一種新壩型。其特點是壩體空腔對減少壩基揚壓力及改善壩基應力有利,且較實體重力壩節(jié)省了原材料,從而大大降低了工程投資。文章以龍?zhí)端畮齑髩沃胁恳缌鲏味螢槔?,根?jù)《砌石壩設計規(guī)范》、《水庫大壩安全評價導則》,并參照《混凝土重力壩設計規(guī)范》,主要從抗滑穩(wěn)定、應力、變形等三方面的計算分析,對空腹重力壩結(jié)構安全作出評價。文章采用水工結(jié)構有限元分析軟件Autostable和Autobank進行計算。

        1 工程概況

        龍?zhí)端畮煳挥诟=ㄊ≡t安縣東溪流域干流的中、下游結(jié)合部,控制流域面積722.0km2,是東溪流域干流最末一級開發(fā)的中型水利樞紐工程。龍?zhí)端畮齑髩螢闈{砌石空腹重力壩,壩頂高程42.5m,最大壩高48.5m,壩頂長238m,壩頂寬度5m。中部為溢流壩段,兩岸為非溢流壩段。中部溢流壩段長73m,設5孔12m×10m溢流表孔,堰頂高程31.5m,溢流段設有大空腹,最大底寬12.4m,最大高度11.5m,空腹長72.8m,壩內(nèi)設有灌漿排水廊道。龍?zhí)端畮齑髩我堰\行10多年,目前運行良好。

        2 計算工況及參數(shù)

        2.1 計算工況

        按照《砌石壩設計規(guī)范》SL25-2006規(guī)定,荷載組合按基本組合和特殊組合二種情況共4種工況進行結(jié)構計算,由于目前Autobank軟件應力分析尚未加入地震力。因此,文章中暫不進行地震工況下的應力分析,大壩抗滑穩(wěn)定計算計入地震工況[1]。各計算工況組合見表1。

        表1 大壩結(jié)構計算工況

        注:空腹內(nèi)水深約0.5m

        2.2 計算參數(shù)

        本工程砌石體允許最大壓應力:壩體膠結(jié)材料C10混凝土,砌石采用600號毛石,按《砌石壩設計規(guī)范》SL25-2006附錄A中表A.0.7取值,基本荷載允許壓應力3.1MPa,特殊荷載允許壓應力3.7MPa。前腿膠結(jié)材料C15混凝土,砌石采用600號毛石,按表A.0.7取值,基本荷載允許壓應力4.1MPa,特殊荷載允許壓應力4.8MPa。

        地基允許承載力:根據(jù)地質(zhì),龍?zhí)端畮齑髩螇位挥谌躏L化花崗巖上,其承載力為3500kPa。

        壩體材料其余參數(shù)詳見表2。

        表2 壩體材料參數(shù)表

        3 穩(wěn)定計算

        3.1 計算方法

        重力壩抗滑穩(wěn)定采用Autostable軟件,根據(jù)現(xiàn)狀溢流壩最大斷面進行建模。x方向以溢流壩頂最高點為零點,上游取至x=-7.05m,下游取至x=86.2m;y方向取整個溢流壩段為一個壩段,長度72.8m,基巖深度及寬度均取約1倍壩高。軟件按抗剪斷公式計算,依據(jù)地質(zhì)提供參數(shù),中部溢流壩段抗剪斷摩擦系數(shù)f′=1.1,c′=1.15。大壩設防烈度7度,地震動峰值加速度為0.15g。

        3.2 穩(wěn)定計算成果與分析

        校工況大壩抗滑穩(wěn)定計算簡圖見圖1。

        圖1 校核工況大壩抗滑穩(wěn)定計算簡圖

        部位作用組合計算工況抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)范最小安全系數(shù)最大溢流壩段基本組合特殊組合工況①3 185工況②3 036工況③3 195工況④2 6993 002 502 30

        以上計算結(jié)果表明:各工況下大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,且在地震工況下,抗震穩(wěn)定安全系數(shù)也滿足規(guī)范要求。從圖1可知,龍?zhí)端畮煲缌鲏慰崭沟脑O置降低了空腹處的揚壓力,且在空腹上游設置了灌漿排水廊道,對揚壓力進行了有效折減,從而提高了大壩整體抗滑穩(wěn)定性[2]。

        4 應力變形分析

        4.1 計算模型

        應力變形分析采用Autobank軟件,根據(jù)現(xiàn)狀溢流壩最大斷面進行建模。x方向以溢流壩頂最高點為零點,上游取至x=-7.05m,下游取至x=86.2m;y方向取整個溢流壩段為一個壩段,長度72.8m,基巖深度及寬度均取約1倍壩高。約束條件為:側(cè)邊僅為水平位移約束,底板為全約束。單元數(shù)2143,節(jié)點2236個,邊界數(shù)303。

        4.2 應力計算成果與分析

        校洪洪水位工況主應力等值線圖見圖2。

        圖2 校核洪水位工況主應力等值線圖

        在龍?zhí)端畮煲缌鲏螒τ嬎阒?,正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位3種工況,荷載組合類似,僅庫水位與下游水位高程不同。因此,在以上各工況下,采用平面有限元法計算的應力分布規(guī)律一致:壩體大部分以壓應力為主,最大壓應力出現(xiàn)在壩趾處,在溢流壩壩踵、空腹拱頂及后腿上游底側(cè)均出現(xiàn)了拉應力,最大拉應力出現(xiàn)在壩踵處;在壩趾和壩踵處有明顯的應力集中現(xiàn)象,最大應力值均出現(xiàn)在校核洪水位工況,應力分析具體如下:

        1)上游壩面邊界應力。在各工況下,壩踵均出現(xiàn)拉應力,最大拉應力在壩踵角緣處約990kPa,隨著高程增加拉應力減小,最終在距壩基約1.8m高處減為零,并逐漸轉(zhuǎn)為壓應力,且壓應力值隨著壩高增加。

        2)空腹周邊應力。在各工況下,空腹拱頂均出現(xiàn)拉應力,且最大值均位于拱頂偏上游處,但其應力值較小,約74.8-527kPa。空腹下游側(cè)均為壓應力區(qū),壓應力值為1530-1910kPa。

        3)壩體內(nèi)部應力分量。①水平正應力σx:在各工況下,壩踵處均為拉應力,最大拉應力值為430kPa。②垂直正應力σy:在各工況下,前腿承擔了拱頂以上自重的大部分,自重壓應力較大,最大值為3450kPa,小于各組合情況砌石體允許最大壓應力值。③剪應力τxy:在各工況下,應力基本分布于前腿及后腿頂部,在后腿頂部靠腹拱處,出現(xiàn)較大剪應力,最大剪應力786kPa,剪應力往腹拱外側(cè)逐漸減小。

        4)壩體內(nèi)部主應力。從等值線圖可以看出,大主應力基本與壩體及空腹周邊平行,小主應力基本垂直于壩體及空腹周邊。大主應力均為壓應力,壩踵處壓應力值最小,壩趾處壓應力值最大,基本組合下最大壓應力值為3240kPa,小于砌石體允許最大壓應力3100kPa,特殊組合下最大壓應力值為3450kPa,小于砌石體允許最大壓應力3700kPa;小主應力在前腿下游底側(cè)和壩趾處為壓應力,在壩踵、空腹拱頂及后腿上游底側(cè)均出現(xiàn)拉應力,壩踵處拉應力較大,最大值為990kPa,拉應力的高度約為1.8m,拉應力區(qū)高度為5%壩高,拉應力水平拉區(qū)寬度約4m,小于壩踵至帷幕中心線的距離5.1m,拉區(qū)范圍滿足規(guī)范要求;空腹拱頂及后腿上游底側(cè)拉應力均較小[3]。

        表2 溢流壩最大斷面應力成果表 kPa

        4.3 變形分析

        龍?zhí)端畮齑髩紊瞎猜裨O位移標點11個,工作基點3個,校核基點3個。目前已運行10多年,自2004年完工時即進行大壩位移及沉降觀測,觀測資料較完整。通過對多年觀測資料的分析,其最大位移和沉陷值均出現(xiàn)在2014年7月30日。

        根據(jù)位移觀測資料,溢流壩壩頂位移0.54cm,壩頂最大沉降量為0.5cm,大壩的沉降及位移均保持在較低的水平,均在規(guī)范規(guī)定的允許值范圍內(nèi),說明其變形已經(jīng)穩(wěn)定。

        從平面有限元法分析得出的溢流壩變形規(guī)律可以看出,壩體的位移均傾向下游,最大位移位于溢流壩頂,位移值為0.53cm。與實測數(shù)據(jù)相差不大。

        5 安全評價

        龍?zhí)端畮鞚{砌石空腹重力壩從抗滑穩(wěn)定、應力及變形分析3個方面分別對溢流壩進行分析,在各工況下大壩抗滑及抗震穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,溢流壩應力滿足規(guī)范要求,根據(jù)位移觀測資料及有限元分析得出的變形,溢流壩壩頂位移及沉降值很小,均在規(guī)范規(guī)定的允許值范圍內(nèi),其變形已經(jīng)穩(wěn)定。龍?zhí)端畮煲缌鲏谓Y(jié)構安全。

        6 結(jié) 語

        龍?zhí)端畮鞚{砌塊石空腹重力壩的空腹,不僅為大壩節(jié)約了材料,又能有效減小揚壓力,使得壩體整體穩(wěn)定性較好;溢流壩的拉應力區(qū),主要發(fā)生在壩踵、空腹拱頂和后腿上游底側(cè)等處,壩踵處的應力控制標準為壩基面以上5%壩高(中壩)處不出現(xiàn)主拉應力,空腹拱頂和后腿上游底側(cè)周邊均澆筑有混凝土,利于增大以上部位允許拉應力。

        [1]馬福恒,李永江,向衍,等.東方紅水庫漿砌石重力壩安全性態(tài)分析評價[J].水電能源科學,2006,24(01):22-25.

        [2]解家畢,肖明.高巖水庫漿砌石空腹重力壩結(jié)構安全和穩(wěn)定性校核[J].長江科學院院報,2001,18(03):21-24.

        [3]梅可方.漿砌石空腹重力壩穩(wěn)定計算與應力分析[J].四川水利,1989,10(06):17-21.

        1007-7596(2017)06-0154-04

        2017-05-21

        段飛(1984-),女,甘肅蘭州人,工程師,從事水利水電工程設計工作。

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