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        石漕溝水庫(kù)樞紐工程碾壓混凝土重力壩穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算分析

        2020-11-04 04:51:36何曉萌李桂青郭肖娟
        海河水利 2020年5期
        關(guān)鍵詞:溢流壩段蓄水位重力壩

        何曉萌,訾 娟,李桂青,郭肖娟

        (中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

        石漕溝水庫(kù)樞紐工程由引水工程、石漕溝水庫(kù)和供水工程組成,是以縣城供水為主的綜合利用水利工程。本工程等別為III等,規(guī)模為中型,水庫(kù)樞紐的主要建筑物合理使用年限為50 a,供水工程的主要建筑物合理使用年限為30 a。

        1 計(jì)算方法

        1.1 動(dòng)力分析計(jì)算假定

        考慮壩體在地震荷載作用下的響應(yīng)時(shí),地震慣性力作用效應(yīng)按譜分析法計(jì)算。地震譜按《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35047-2015)選用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,計(jì)算假定如下:

        (1)地基假定為無質(zhì)量的按材料分區(qū)的非均勻彈性體。

        (2)庫(kù)水假定為不可壓縮的流體,其對(duì)壩的動(dòng)力作用即相當(dāng)于附加質(zhì)量。

        (3)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度;水庫(kù)為河谷型水庫(kù),回水范圍內(nèi)沒有區(qū)域性活動(dòng)斷裂,蓄水后誘發(fā)較強(qiáng)地震的可能性不大。地震荷載激振方向按順河向水平方向(X向)輸入,計(jì)算壩體在地震荷載作用下的響應(yīng)。

        1.2 抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

        依據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2018)中相關(guān)公式及說明,分工況計(jì)算大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)規(guī)范,大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可采用抗剪強(qiáng)度公式或抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算,重力壩斷面按單寬計(jì)算。

        抗剪斷強(qiáng)度公式為:

        式中:K'為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù);C'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力(kPa);∑W為作用于壩體上的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值(kN);A為壩基接觸面截面積(m2);∑P為作用于壩體上的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值(kN)。

        1.3 計(jì)算模型及參數(shù)

        計(jì)算分析以重力壩溢流壩段(10#壩段)為例,ANSYS有限元計(jì)算模型區(qū)域?yàn)?44 m×20 m×247 m(X×Y×Z),壩體單元示意如圖1所示。假定模型順?biāo)鞣较驗(yàn)閄軸正方向,壩軸線指向左岸方向?yàn)閅軸正方向,鉛垂向上為Z軸正方向。地基四面和底部均加法向約束。碾壓混凝土靜彈性模量取20 GPa,泊松比為0.2,容重為23.5 kN/m3,動(dòng)彈性模量按靜彈模的1.5倍取30 GPa。根據(jù)壩址區(qū)壩基巖石物理力學(xué)指標(biāo),建議地基參數(shù)計(jì)算取值如下:根據(jù)地基類別分層彈性模量E取7.5~13 GPa,變形模量E0取5.5~9.5 GPa;抗剪斷摩擦系數(shù)f'取0.95,凝聚力C'取0.725 MPa。

        圖1 10#溢流壩段壩體單元示意

        2 計(jì)算工況及成果分析

        2.1 計(jì)算工況

        各計(jì)算工況荷載組合,詳見表1。

        2.2 壩體模態(tài)計(jì)算成果分析

        10#溢流壩段(含正常蓄水位動(dòng)水質(zhì)量元)自振模態(tài)階數(shù)、頻率、周期以及各向參與系數(shù),詳見表2。

        表1 各計(jì)算工況荷載組合

        表2 10#溢流壩段(含正常蓄水位動(dòng)水質(zhì)量元)自振特性

        10#溢流壩段自振前4階振型,如圖2所示。

        圖2 10#溢流壩段自振前4階振型

        2.3 壩坡應(yīng)力變形分析計(jì)算成果

        10#溢流壩段各工況壩體主應(yīng)力最大等值線區(qū)域值、極值及其位置詳見表3,表中應(yīng)力均以拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)。

        表3 10#溢流壩段控制工況最大等值線區(qū)域值、極值及其位置

        2.4 壩基穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析

        根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2018),荷載組合工況根據(jù)給定荷載作用可能性分為基本組合和特殊組合。規(guī)范要求混凝土重力壩穩(wěn)定安全系數(shù)及10#溢流壩段各工況壩基抗剪斷安全系數(shù),詳見表4。

        表4 規(guī)范要求混凝土重力壩穩(wěn)定安全系數(shù)及10#溢流壩段各工況壩基抗剪斷安全系數(shù)

        3 結(jié)論

        (1)10#溢流壩段基本組合中,冬季正常蓄水位(冰壓力)為主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力的控制工況,最大主拉應(yīng)力位于上游壩頂閘墩與閘門牛腿交匯處,最大值為0.82 MPa,大部分區(qū)域第1主應(yīng)力為-0.89~0.11 MPa;最大主壓應(yīng)力值位于廊道頂拱一側(cè),最大值為-4.19 MPa,大部分區(qū)域第3主應(yīng)力為-3.01~-0.18 MPa。

        特殊組合中,校核洪水位工況為主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力的控制工況,最大主拉應(yīng)力值位于上游壩頂閘墩與閘門牛腿交匯處,最大值為0.83 MPa,大部分區(qū)域第1主應(yīng)力為-0.91~0.11 MPa;最大主壓應(yīng)力值位于廊道頂拱一側(cè),最大值為-4.27 MPa,大部分區(qū)域第3主應(yīng)力為-3.07~-0.18 MPa。各工況壩體大部分區(qū)域及壩基面鉛垂向正應(yīng)力等值線范圍值為-3.19~-0.28 MPa,均為壓應(yīng)力。依據(jù)設(shè)計(jì)提供參數(shù),計(jì)算結(jié)果均在正常值范圍內(nèi),計(jì)算結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)方,為調(diào)整體型提供依據(jù)。

        (2)10#溢流壩段在現(xiàn)有的壩體及巖石的材料參數(shù)下,荷載基本組合正常蓄水位(冰壓力)工況下,壩基抗剪斷安全系數(shù)為3.19,滿足規(guī)范要求。荷載特殊組合校核洪水位工況下,壩基抗剪斷安全系數(shù)為3.12,滿足規(guī)范要求。正常蓄水位(冰壓力)+地震工況下,壩基抗剪斷安全系數(shù)為2.57,滿足規(guī)范要求。正常蓄水位(冰壓力)+地震(乘0.35遇合系數(shù))工況下,壩基抗剪斷安全系數(shù)為2.92,滿足規(guī)范要求。

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