華亭縣車廠溝水庫主壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)核計(jì)算

潘彩霞　樊尚斌

摘 要：車廠溝水庫是華亭縣一座以灌溉為主的Ⅴ等?。?）型水庫，大壩主壩型為漿砌石重力拱壩，基本剖面為梯形單曲厚拱，上游面基本垂直，下游壩坡坡度為1：0.35，本文通過拱冠梁法的計(jì)算，并對大壩及其相關(guān)部位進(jìn)行三維有限元分析，按兩種工況下有限元等效應(yīng)力法求出的拱壩上、下游面最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力及其出現(xiàn)的位置，計(jì)算結(jié)果表明，在各種靜力荷載組合工況下，拱壩的最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力都小于相應(yīng)的容許值，滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：主壩；結(jié)構(gòu)應(yīng)力；復(fù)核；計(jì)算

中圖分類號：TV64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）16-0080-02

1 車廠溝水庫概況

車廠溝水庫原設(shè)計(jì)是一座以灌溉為主的Ⅴ等?。?）型水，總庫容24.59×104m3，興利庫容20.6×104m3，水庫樞紐建筑物主要有漿砌石重力拱壩（含壩身泄水孔）、粘土心墻副壩、生活供水引水口等。

2 基本資料

2.1 特征水位及流量

水庫設(shè)計(jì)死水位為2000.50m，現(xiàn)狀死水位為2014.90m；正常蓄水位為2021.50m；20年一遇的設(shè)計(jì)水位為為2021.90m，最大入庫流量為31.14m3/s，相應(yīng)的最大下泄流量為30.73m3/s；100年一遇的校核水位為為2024.47m，最大入庫流量為138.64m3/s，相應(yīng)的最大下泄流量為133.90m3/s。

2.2 地震設(shè)防烈度

根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》和《中國地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》，該區(qū)地震動峰值加速度為0.2g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

2.3 主壩基本參數(shù)

車廠溝拱壩結(jié)構(gòu)漿砌石、壩基巖石等各材料的主要物理力學(xué)參數(shù)如下：

（1）壩體材料。本次計(jì)算將壩體材料性質(zhì)等效為均質(zhì)材料。彈性模量E=2.3×104MPa，泊桑比μ=0.23；重度γ=23.5KN/m3；線膨脹系數(shù)6×10-6/℃。

（2）巖石基礎(chǔ)?；鶐r以砂礫巖、礫巖為主。彈性模量E=2.0 ×104MPa；泊桑比μ=0.23；重度γ=0.0KN/m3。在靜力計(jì)算時(shí)不考慮地基的自重，故天然地基的重度取0.0KN/m3。

3 主壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

用拱梁分載法計(jì)算時(shí)，壩體的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力應(yīng)符合以下要求：

（1）漿砌石體容許壓應(yīng)力的安全系數(shù)，對于基本荷載組合，采用3.5；對于特殊荷載組合，采用3.0。（2）漿砌石拱壩計(jì)算拉應(yīng)力如下控制：塊石砌體在膠結(jié)材料為80#水泥砂漿時(shí)中央懸臂梁底的控制拉應(yīng)力為1.0MPa，其他部位為0.8MPa；壓應(yīng)力容許值在基本荷載下為4.3MPa，在特殊荷載下為5.0MPa。當(dāng)采用拱冠梁法計(jì)算時(shí)，拱和梁的法向應(yīng)力應(yīng)滿足上述對應(yīng)的應(yīng)力指標(biāo)。

4 主壩應(yīng)力計(jì)算

4.1 荷載工況

計(jì)算中主要考慮壩體自重、上游庫水壓力、溫度荷載三種主要荷載組合。針對拱壩的實(shí)際工作性態(tài)，本次分別計(jì)算了以下兩種工況。

工況1：水庫正常蓄水位（2021.50m）+正常溫降+壩體自重+泥沙；

工況2：水庫正常蓄水位（2021.50m）+正常溫降+壩體自重+泥沙+地震。

4.2 拱冠梁法復(fù)核壩體應(yīng)力

拱冠梁法采用程序計(jì)算，程序在編寫時(shí)溫度荷載按美國墾務(wù)局經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，僅考慮均勻溫降情況。

（1）計(jì)算成果。根據(jù)計(jì)算程序要求，壩體高度以3.3m等分為7層拱，對上述計(jì)算模型利用拱冠梁法進(jìn)行計(jì)算，得出該拱壩在不同荷載工況下拱冠、拱端部位以及梁向應(yīng)力。規(guī)定應(yīng)力以壓為正，以拉為負(fù)。相應(yīng)的計(jì)算成果見表1、表2。

（2）結(jié)果分析。拱圈：在上游面的主應(yīng)力均很小，最大主應(yīng)力為0.54MPa，出現(xiàn)在拱端最下層，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。下游面最大主應(yīng)力為0.55MPa，出現(xiàn)在拱端最上層，表現(xiàn)為壓應(yīng)力。在上游面壩高約1/4處，拱冠正應(yīng)力出現(xiàn)了負(fù)值，由壓應(yīng)力改變?yōu)槔瓚?yīng)力，而下游面多為拉應(yīng)力。拱端上游面多表現(xiàn)為拉應(yīng)力，下游面則為壓應(yīng)力。應(yīng)力值均很小，在容許范圍之內(nèi)。拱冠梁：上游面壩踵處均出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，最大值為0.84MPa，未超過規(guī)范允許值（1.0MPa），壩體拉應(yīng)力滿足要求，但富裕度不大。下游面均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在容許值內(nèi)。

由表1、表2中看出，拱冠上游側(cè)多出現(xiàn)壓應(yīng)力，下游側(cè)多為拉應(yīng)力；拱端上游側(cè)多出現(xiàn)拉應(yīng)力，而拱端下游側(cè)多出現(xiàn)壓應(yīng)力。符合溫降下拱壩的變形應(yīng)力規(guī)律，且應(yīng)力均未超過規(guī)范允許值，壩體主應(yīng)力滿足安全要求。

4.3 有限單元法復(fù)核壩體應(yīng)力

為了進(jìn)一步復(fù)核壩體強(qiáng)度與驗(yàn)證拱冠梁法的計(jì)算結(jié)果，并校核大壩的抗滑穩(wěn)定，有必要對大壩及其相關(guān)部位進(jìn)行三維有限元分析。

（1）壩體應(yīng)力分析。經(jīng)計(jì)算，拱壩結(jié)構(gòu)在靜力工況荷載作用下壩體產(chǎn)生的拱梁拉壓應(yīng)力峰值和最大、最小主應(yīng)力值及其出現(xiàn)的位置見表3。

計(jì)算工況一結(jié)果表明：拱壩的拱向拉應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近上游面處，峰值為0.51MPa；梁向拉應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近上游面處，峰值為1.38MPa；最大主應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近上游面處，峰值為1.94MPa。拱壩的拱向壓應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在泄水口附近處，峰值為-1.43MPa；梁向壓應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近下游面處，峰值為-1.77MPa；最小主應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近上游面處，峰值為-3.27MPa。

計(jì)算工況二結(jié)果表明：拱壩的拱向拉應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近上游面處，峰值為0.53MPa；梁向拉應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近上游面處，峰值為1.49MPa；最大主應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近上游面處，峰值為2.06MPa。拱壩的拱向壓應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在泄水口附近處，峰值為-1.52MPa；梁向壓應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近下游面處，峰值為-1.90MPa；最小主應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在壩底靠近上游面處，峰值為-3.43MPa。

在計(jì)算工況條件下，拱壩大部分區(qū)域都處于受壓狀態(tài)，除拱端、壩底以及兩岸壩肩附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象外，其他區(qū)域應(yīng)力分布都比較光順。從上表可以看出：兩個(gè)工況計(jì)算出來拱壩的拉壓應(yīng)力值均比較小，滿足規(guī)范要求，故結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）拱壩等效應(yīng)力計(jì)算成果與分析。按照規(guī)范要求將有限元計(jì)算得到的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為“有限元等效應(yīng)力”，以消除應(yīng)力集中的影響。表4給出了在兩種工況下按有限元等效應(yīng)力法求出的拱壩上、下游面最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力及其出現(xiàn)的位置，并根據(jù)規(guī)范給出了容許應(yīng)力值。

5 計(jì)算結(jié)果分析

壩體漿砌石抗壓強(qiáng)度為16.8MPa。根據(jù)規(guī)范，混凝土有限元等效應(yīng)力的容許壓應(yīng)力等于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度除以安全系數(shù)，對于基本荷載組合，2級拱壩的安全系數(shù)采用4.0；對于非地震情況特殊荷載組合，2級拱壩的安全系數(shù)采用3.5。對于基本荷載組合，拉應(yīng)力不得大于1.5MPa；對于非地震情況特殊荷載組合，拉應(yīng)力不得大于2.0MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，在各種靜力荷載組合工況下，拱壩的最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力都小于相應(yīng)的容許值，滿足規(guī)范要求。表明現(xiàn)狀拱壩結(jié)構(gòu)質(zhì)量合格（不存在失穩(wěn)等問題）。

參考文獻(xiàn)

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