拱壩加切角措施對壩肩拉應力的影響研究

06-11

拱壩加切角措施對壩肩拉應力的影響研究

簡威，李守義，顧冬冬

(西安理工大學水利水電學院，西安 710048)

摘要：拱壩是空間殼體結構，體型較為複雜，拉應力過大會導致壩肩失穩甚至潰壩。大量的工程經驗表明，拱壩最大主應力常出現在壩肩處，壩肩拉應力的大小直接影響大壩的安全運行。為有效減小壩肩拉應力，採用ANSYS有限元等效應力法，建立拱壩整體有限元模型，對模型施加靜水壓力、泥沙壓力、揚壓力、重力、弧門推力等荷載，研究已有高拱壩工程中拱壩壩體結構設計中的加切角問題，分析拱壩在正常溫升、正常溫降2種運行情況下拱壩壩肩受力情況，與在同種運行情況下與不加切角拱壩作對比分析。結果表明：加切角可有效改善拱壩壩肩受力情況，降低壩肩拉應力。研究成果可為減小拱壩壩肩拉應力設計和實際施工提供參考依據。

關鍵詞：拱壩；加切角；等效應力；壩肩拉應力;有限元模型

拱壩具有體積小、工程量省、潛在安全度高、超載能力強等諸多優點，在壩工建設中已得到越來越廣泛的應用[1-2]。拱壩壩肩拉應力的大小直接影響拱壩正常運行和穩定性，壩肩破壞可導致潰壩[3]。由於拱壩近基礎部位存在明顯的應力集中，國內外主要採用有限元法等效應力法計算拱壩應力,但針對改善拱壩壩肩拉應力的措施研究較少[4-7]。拱壩加切角措施是將與拱端接觸的部分岩基置換成大壩混凝土，置換的混凝土塊體稱為切角。論文以某碾壓混凝土拱壩為例，基於有限元等效應力法對拱壩壩肩不加切角、拱端加切角進行有限元建模及應力分析計算。以期為拱壩設計和施工提供理論依據。

1 工程實例

1.1 工程概況

某碾壓混凝土拱壩體型採用拋物線雙曲拱壩，按1級建築物設計。拱壩壩頂高程為646.0 m，壩底高程501.0 m，最大壩高145.0 m，壩頂寬9.0 m，壩底厚39.79 m。壩頂上游弧長467.918 m，最大中心角92.62°。正常蓄水位為643.00 m ,相應下游無水。淤沙高程為530.00 m，淤沙浮容重為8 kN/m3，淤沙內摩擦角為14°。多年平均最大風速為16.1 m/s，50 a最大風速為20.3 m/s，吹程為2.2 km。

1.2 切角的概念

拱壩加切角措施是將拱壩岸坡岩體超開挖部分用混凝土回填，超開挖部分回填的混凝土塊體稱為拱壩切角，見圖1。切角的作用主要有：①像拱壩墊座一樣，切角加大了水平拱圈壩肩的斷面面積和拱剛度，從而降低壩體壩肩的應力，改善壩肩的穩定性；②下游的切角在施工期與運行期，能方便運送材料、設備，對行人的往來來說，更是重要的通道；③在切角部位，拱壩的上、下游切角還可以作為架立及更好固定模板的平台，設切角可以節省立模；④每一層拱圈澆築的時候，加大了工作平台的面積。

圖1 拱壩加切角措施Fig.1 Schematic diagram of concrete backfill measure for the over excavation of arch dam

1.3 數值模擬假定

計算基本假定：①材料為均質彈性、各向同性的連續體，不考慮鋼筋和混凝土的應力重分布[8]；②對比加切角與不加切角2種壩體方案施工技術，外界影響條件一致；③不考慮地基的不均勻沉降。各材料熱力學參數如表1所示。

1.4 計算模型

採用ANSYS有限元計算軟體，考慮到地基對拱壩壩體應力的影響，取拱壩整體作為拱壩應力控制模擬計算模型，計算範圍為左右壩肩山體各取約1倍壩高，地基向上遊河道延伸約1倍壩高，高度取150 m，向下遊河道延伸2倍壩高，高度取為300 m，沿著壩基面往下延伸150 m。其中地基上、下游面以及左右面為法向約束，壩基面為三向約束[9]。把壩體上、下游面看作自由邊界，不考慮橫縫對壩體的影響[10]。

表1 各材料熱力學試驗參數Table 1 Parameters of thermodynamics of each material

材料線脹係數/(10-6·℃-1)重度/(kN·m-3)導溫係數/(m2·月-1)泊松比彈性模量/GPa壩體C9025混凝土9.6242.140.17920高程623m以上的岩體10.002.140.309高程623m以下的岩體10.002.140.2615

註：不考慮地基不均勻沉降，岩體重度取0

計算模型應用的坐標係為：x軸正方向為順水流方向；y軸正方向為鉛直向上方向；z軸正方向為垂直水流且指向右岸方向。坐標系原點位於拱冠梁剖面上游的頂部，高程為646.00 m。整體模型網格劃分選用solid 65單元，不加切角模型節點總數505 961個，單元總數328 441個；加切角模型節點總數509 718個，單元總數331 906個。計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型Fig.2 Computation model

1.5 計算工況及應力標準

基本組合：工況1，壩體自重+正常蓄水位+相應下游水位+泥沙壓力+溫升；工況2，壩體自重+正常蓄水位+相應下游水位+泥沙壓力+溫降；加切角和不加切角2種計算模型對於以上2種工況都需加相同的表、底孔弧門推力。

依據《混凝土拱壩設計規範》(SL 282—2003)應力控制指標規定，用有限元法計算時，應補充計算「有限元等效應力」。按「有限元等效應力」求得的壩體主壓應力和主拉應力應符合下列控制指標的規定：混凝土的容許壓應力等於混凝土的極限抗壓強度除以安全係數。對於基本荷載組合，1，2級拱壩的抗壓強度安全係數採用4.0。壩體應力控制標準為：基本荷載組合，主壓應力≤6.25 MPa；主拉應力≤1.5 MPa。

2 計算結果與分析

計算結果表明拱壩加切角對壩肩拉應力的影響很大，由於存在部分應力集中現象，壩肩應力採用有限元等效應力計演算法。

2.1 工況1計算結果與分析

工況1第1主應力見圖3。

圖3 工況1不加切角和加切角模型第1主應力比較Fig.3 Comparison of first principal stress in case 1 between arch dam model with and without backfill concreta

由圖3可知:工況1加切角壩體模型的最大主拉應力值為5.05 MPa,拱壩上游面主拉應力>1.5 MPa的區域分布在壩體上游面與地基交接部位，分布範圍為高程501～586 m；不加切角工況的最大主拉應力為7.83 MPa,拱壩上游面主拉應力>1.5 MPa的區域分布在壩體上游面與地基交接部位，分布範圍為高程501～611 m。工況1壩肩最大等效應力見表2。

表2 工況1壩肩最大等效應力Table 2 Values of maximum equivalent stress at dam abutment in case 1

計算條件最大主拉應力/MPa分布區域不加切角1.43右岸541m高程處加切角1.23右岸561m高程處

工況1各部位x，y，z 3個方向最大位移見表3。

表3 工況1各部位x,y,z 3個方向最大位移Table 3 Values of maximum displacement of different positions in direction x,y,and z in case 1 mm

計算條件壩頂拱冠向下游(x+)壩頂拱端向上游(x-)壩頂拱端向上(y+)底孔懸臂樑末端向下(y-)左岸壩體向河道(z+)右岸壩體向河道(z-)不加切角38.967.744.9419.8412.227.79加切角36.167.934.5419.8811.647.40

註：x+，y+，z+分別代表3個方向的正方向；x-，y-，z-分別代表3個方向的負方向,下同

工況1中各個面上的等效應力呈現出應力變化趨勢一致，不加切角方案最大主拉應力為1.43 MPa，出現在541 m右岸壩肩，能滿足拉應力控制標準；加切角方案壩肩最大主拉應力為1.23 MPa，出現在561 m右岸壩肩，壩肩能滿足拉應力控制標準；加切角方案大大減小了壩肩的拉力。

2.2 工況2計算結果與分析

工況2第1主拉應力見圖4。

圖4 工況2不加切角和加切角模型第1主應力比較Fig.4 Comparison of first principal stress in case 2 between arch dam model with and without backfill block

由圖4可知：工況2加切角壩體模型的最大主拉應力為4.56 MPa,拱壩上游面主拉應力>1.5 MPa的區域分布在壩體上游面與地基交接部位，分布範圍為高程501～541 m；不加切角工況的最大主拉應力圖上顯示值為7.78 MPa,拱壩上游面主拉應力>1.5 MPa的區域分布在壩體上游面與地基交接部位，分布範圍為高程501～641 m。工況2壩肩最大等效應力見表4。

表4 工況2壩肩最大等效應力Table 4 Values of maximum equivalent stress at dam abutment in case 2

計算條件最大主拉應力/MPa分布區域不加切角1.51右岸541m高程處加切角1.36右岸561m高程處

工況2各部位 x，y，z 3個方向最大位移見表5。

工況2中各個面上的等效應力呈現出應力變化趨勢一致，不加切角方案壩肩最大主拉應力為1.51 MPa，出現在541 m右岸壩肩，壩肩不能滿足壓應力控制標準。加切角方案壩肩最大主拉應力為1.36 MPa，出現在561 m右岸壩肩，能滿足拉應力控制標準；加切角方案大大減小了壩肩的拉力，且減小了各部位x,y,z方向的最大位移。

表5 工況2各部位x,y,z 3個方向最大位移Table 5 Values of maximum displacement of different positions in direction x,y,and z in case 2 mm

計算條件壩頂拱冠向下游(x+)壩頂拱端向上游(x-)壩頂拱端向上(y+)底孔懸臂樑末端向下(y-)左岸壩體向河道(z+)右岸壩體向河道(z-)不加切角81.80-2.368.4227.2122.6014.65加切角68.03-0.523.2025.5112.5611.09

由上述兩個工況的成果可知，在兩岸壩肩增加切角後，擴大了兩岸壩基的接觸面，岩體超開挖部分用混凝土回填既保證了壩體的整體性，也增大了與兩岸的咬合力，當荷載作用於拱壩時，單位面積上的壓力減小了，所以整體上應力呈現有規律的減小趨勢。

(1) 壩肩未切角與加切角2個方案在相同荷載作用下的計算成果應力變化趨勢基本類似，壩體應力分布規律相似，但加切角方案比不加切角方案應力大大減小。

(2) 不加切角方案的壓應力的最大值在下游壩面處產生，高壓應力主要出現在壩底壩趾處，局部出現壓應力超出允許範圍，不能滿足設計規範的要求；而加切角的方案壓應力的最大值也出現在壩面下游處，且最大的拉、壓應力都在規範許可範圍內。因此，壩體的壓應力是滿足設計規範要求的，加切角方案有助於對壩體的壓應力的減小。

3 結語

(1) 2個方案不同工況下的應力成果表明，壩體壩肩的加切角處理方案對壩體壩肩的應力減小有利，且對減小基礎開挖工程量非常有利。

(2) 拱壩壩體加切角措施可有效減小壩肩拉應力，防止壩肩開裂破壞，使大壩安全運行，計算結果為拱壩設計和施工提供了重要理論依據。

(3) 壩肩切角部位主拉應力比較大，可就切角部分使用高強度混凝土，既節約了工程造價，又有利於壩肩拉應力的減小。

(4) 壩肩切角的尺寸大小不明確，接下來需要解決的難題是對切角進行尺寸優化，找出一個適合壩體的尺寸，在混凝土用量儘可能少的情況下使壩肩拉應力減少效果最佳。

參考文獻：

[1] 周秋景,李同春.混凝土拱壩壩肩的安全評價問題綜述[J].水利水電科技進展,2007,27(3):81-85.

[2] 丁陸軍.國內外拱壩體型優化研究現狀及發展[J].長江科學院院報,2013,30(3):61-65.

[3] 梁建,劉銓鴻,張超，等.基於ANSYS的混合線型拱壩等效應力計算[J].人民長江,2015,46(12):4-7.

[4] 常曉林,李夢,周偉.基於動力有限元法對拱壩應力控制指標的分析[J].水力發電學報,2010,29(5):52-57．

[5] 饒宏玲,曾紀全,龐明亮,等.錦屏一級拱壩岩體抗剪強度參數取值研究[J].長江科學院院報,2014,31(11):7-11，21.

[6] 王淼，王立富，呂旭東.碾壓混凝土拱壩三維有限元靜力分析[J].水利科技與經濟,2011,17(2):34-37．

[7] 司政,李守義,陳培培,等.基於ANSYS的大體積混凝土溫度場計算程序開發[J].長江科學院院報,2011,28(9):53-56.

[8] 燕荷葉.混凝土拱壩應力分析的有限元方法探討[J].水電能源科學,2012,30(7):76-79.

[9] 王仁坤,張沖,陳麗萍,等.特高拱壩結構安全度再評價[J].長江科學院院報,2014,31(11):136-142，148.

[10] 李正兵,張立展.綜合加固處理技術在錦屏高拱壩左岸壩基中的應用[J].長江科學院院報,2015,32(9):123-127.

(編輯：姜小蘭)

Effect of Concrete Backfill on Tensile Stress inthe Abutment of Arch Dam

JIAN Wei,LI Shou-yi,GU Dong-dong

(Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering,Xi』an University of Technology,Xi』an 710048,China)

Abstract:Arch dam is a shell structure in space with complex shape.Large tensile stress would lead to instability or even failure of the arch dam.Engineering experiences show that the maximum principal stress of arch dam often appears at the abutment,and tensile stress in the abutment directly affects the safe operation of dam.In the aim of effectively reducing the tensile stress of arch dam,a concrete backfill measure for the over excavation of bank slope is proposed,and the stress conditions of dam abutment in temperature rise and drop conditions in the presence of backfill are compared with those in the absence of backfill.ANSYS the finite element equivalent stress method was employed to establish the integral finite element models of arch dam subjected to hydrostatic pressure,silt pressure,uplift pressure,gravity,thrust of radial gate and so on.Results indicate that backfill could effectively improve the force situation of abutment and reduce the tensile stress in the abutment.The results offer reference for the design and construction of reducing tensile stress in the abutment of arch dam.

Key words: arch dam; concrete backfill; equivalent stress; tensile stress in abutment; finite element model

中圖分類號：TV642.45

文獻標誌碼：A

文章編號：1001-5485(2017)10-0145-04

收稿日期：2016-06-16；

修回日期：2016-08-30

作者簡介：簡威(1992-)，女，江西宜春人，碩士研究生，主要從事水工結構分析及數值模擬研究，(電話)15667080087(電子信箱)491929622@qq.com。

doi:10.11988/ckyyb.20160615 2017,34(10):145-148