拱壩加切角措施對(duì)壩肩拉應(yīng)力的影響研究

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(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 西安 710048)

拱壩加切角措施對(duì)壩肩拉應(yīng)力的影響研究

簡(jiǎn)威，李守義，顧冬冬

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 西安 710048)

拱壩是空間殼體結(jié)構(gòu)，體型較為復(fù)雜，拉應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致壩肩失穩(wěn)甚至潰壩。大量的工程經(jīng)驗(yàn)表明，拱壩最大主應(yīng)力常出現(xiàn)在壩肩處，壩肩拉應(yīng)力的大小直接影響大壩的安全運(yùn)行。為有效減小壩肩拉應(yīng)力，采用ANSYS有限元等效應(yīng)力法，建立拱壩整體有限元模型，對(duì)模型施加靜水壓力、泥沙壓力、揚(yáng)壓力、重力、弧門(mén)推力等荷載，研究已有高拱壩工程中拱壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的加切角問(wèn)題，分析拱壩在正常溫升、正常溫降2種運(yùn)行情況下拱壩壩肩受力情況，與在同種運(yùn)行情況下與不加切角拱壩作對(duì)比分析。結(jié)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(yīng)力。研究成果可為減小拱壩壩肩拉應(yīng)力設(shè)計(jì)和實(shí)際施工提供參考依據(jù)。

拱壩；加切角；等效應(yīng)力；壩肩拉應(yīng)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(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在壩工建設(shè)中已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-2]。拱壩壩肩拉應(yīng)力的大小直接影響拱壩正常運(yùn)行和穩(wěn)定性，壩肩破壞可導(dǎo)致潰壩[3]。由于拱壩近基礎(chǔ)部位存在明顯的應(yīng)力集中，國(guó)內(nèi)外主要采用有限元法等效應(yīng)力法計(jì)算拱壩應(yīng)力,但針對(duì)改善拱壩壩肩拉應(yīng)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巖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，基于有限元等效應(yīng)力法對(duì)拱壩壩肩不加切角、拱端加切角進(jìn)行有限元建模及應(yīng)力分析計(jì)算。以期為拱壩設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

某碾壓混凝土拱壩體型采用拋物線雙曲拱壩，按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。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(zhǎng)467.918 m，最大中心角92.62°。正常蓄水位為643.00 m ,相應(yīng)下游無(wú)水。淤沙高程為530.00 m，淤沙浮容重為8 kN/m3，淤沙內(nèi)摩擦角為14°。多年平均最大風(fēng)速為16.1 m/s，50 a最大風(fēng)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巖體超開(kāi)挖部分用混凝土回填，超開(kāi)挖部分回填的混凝土塊體稱為拱壩切角，見(jiàn)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(yīng)力，改善壩肩的穩(wěn)定性；②下游的切角在施工期與運(yùn)行期，能方便運(yùn)送材料、設(shè)備，對(duì)行人的往來(lái)來(lái)說(shuō)，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臺(tái)，設(shè)切角可以節(jié)省立模；④每一層拱圈澆筑的時(shí)候，加大了工作平臺(tái)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(shù)值模擬假定

計(jì)算基本假定：①材料為均質(zhì)彈性、各向同性的連續(xù)體，不考慮鋼筋和混凝土的應(yīng)力重分布[8]；②對(duì)比加切角與不加切角2種壩體方案施工技術(shù)，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(xué)參數(shù)如表1所示。

1.4 計(jì)算模型

采用ANSYS有限元計(jì)算軟件，考慮到地基對(duì)拱壩壩體應(yīng)力的影響，取拱壩整體作為拱壩應(yīng)力控制仿真計(jì)算模型，計(jì)算范圍為左右壩肩山體各取約1倍壩高，地基向上游河道延伸約1倍壩高，高度取150 m，向下游河道延伸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(duì)壩體的影響[10]。

表1 各材料熱力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of thermodynamics of each material

注：不考慮地基不均勻沉降，巖體重度取0

計(jì)算模型應(yīng)用的坐標(biāo)系為：x軸正方向?yàn)轫標(biāo)鞣较颍粂軸正方向?yàn)殂U直向上方向；z軸正方向?yàn)榇怪彼髑抑赶蛴野斗较颉Ｗ鴺?biāo)系原點(diǎn)位于拱冠梁剖面上游的頂部，高程為646.00 m。整體模型網(wǎng)格劃分選用solid 65單元，不加切角模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)505 961個(gè)，單元總數(shù)328 441個(gè)；加切角模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)509 718個(gè)，單元總數(shù)331 906個(gè)。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Computation model

1.5 計(jì)算工況及應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

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

依據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282—2003)應(yīng)力控制指標(biāo)規(guī)定，用有限元法計(jì)算時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充計(jì)算“有限元等效應(yīng)力” 。按“有限元等效應(yīng)力”求得的壩體主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力應(yīng)符合下列控制指標(biāo)的規(guī)定：混凝土的容許壓應(yīng)力等于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度除以安全系數(shù)。對(duì)于基本荷載組合，1，2級(jí)拱壩的抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)采用4.0。壩體應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)為：基本荷載組合，主壓應(yīng)力≤6.25 MPa；主拉應(yīng)力≤1.5 MPa。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果表明拱壩加切角對(duì)壩肩拉應(yīng)力的影響很大，由于存在部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，壩肩應(yīng)力采用有限元等效應(yīng)力計(jì)算法。

2.1 工況1計(jì)算結(jié)果與分析

工況1第1主應(yīng)力見(jiàn)圖3。

圖3 工況1不加切角和加切角模型第1主應(yīng)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(yīng)力值為5.05 MPa,拱壩上游面主拉應(yīng)力>1.5 MPa的區(qū)域分布在壩體上游面與地基交接部位，分布范圍為高程501～586 m；不加切角工況的最大主拉應(yīng)力為7.83 MPa,拱壩上游面主拉應(yīng)力>1.5 MPa的區(qū)域分布在壩體上游面與地基交接部位，分布范圍為高程501～611 m。工況1壩肩最大等效應(yīng)力見(jiàn)表2。

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

工況1各部位x，y，z3個(gè)方向最大位移見(jiàn)表3。

表3 工況1各部位x,y,z 3個(gè)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

注：x+，y+，z+分別代表3個(gè)方向的正方向；x-，y-，z-分別代表3個(gè)方向的負(fù)方向,下同

工況1中各個(gè)面上的等效應(yīng)力呈現(xiàn)出應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，不加切角方案最大主拉應(yīng)力為1.43 MPa，出現(xiàn)在541 m右岸壩肩，能滿足拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)；加切角方案壩肩最大主拉應(yīng)力為1.23 MPa，出現(xiàn)在561 m右岸壩肩，壩肩能滿足拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)；加切角方案大大減小了壩肩的拉力。

2.2 工況2計(jì)算結(jié)果與分析

工況2第1主拉應(yīng)力見(jiàn)圖4。

圖4 工況2不加切角和加切角模型第1主應(yīng)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(yīng)力為4.56 MPa,拱壩上游面主拉應(yīng)力>1.5 MPa的區(qū)域分布在壩體上游面與地基交接部位，分布范圍為高程501～541 m；不加切角工況的最大主拉應(yīng)力圖上顯示值為7.78 MPa,拱壩上游面主拉應(yīng)力>1.5 MPa的區(qū)域分布在壩體上游面與地基交接部位，分布范圍為高程501～641 m。工況2壩肩最大等效應(yīng)力見(jiàn)表4。

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

工況2各部位x，y，z3個(gè)方向最大位移見(jiàn)表5。

工況2中各個(gè)面上的等效應(yīng)力呈現(xiàn)出應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，不加切角方案壩肩最大主拉應(yīng)力為1.51 MPa，出現(xiàn)在541 m右岸壩肩，壩肩不能滿足壓應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。加切角方案壩肩最大主拉應(yīng)力為1.36 MPa，出現(xiàn)在561 m右岸壩肩，能滿足拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)；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(gè)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

由上述兩個(gè)工況的成果可知，在兩岸壩肩增加切角后，擴(kuò)大了兩岸壩基的接觸面，巖體超開(kāi)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(dāng)荷載作用于拱壩時(shí)，單位面積上的壓力減小了，所以整體上應(yīng)力呈現(xiàn)有規(guī)律的減小趨勢(shì)。

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

(2) 不加切角方案的壓應(yīng)力的最大值在下游壩面處產(chǎn)生，高壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在壩底壩趾處，局部出現(xiàn)壓應(yīng)力超出允許范圍，不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；而加切角的方案壓應(yīng)力的最大值也出現(xiàn)在壩面下游處，且最大的拉、壓應(yīng)力都在規(guī)范許可范圍內(nèi)。因此，壩體的壓應(yīng)力是滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的，加切角方案有助于對(duì)壩體的壓應(yīng)力的減小。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 2個(gè)方案不同工況下的應(yīng)力成果表明，壩體壩肩的加切角處理方案對(duì)壩體壩肩的應(yīng)力減小有利，且對(duì)減小基礎(chǔ)開(kāi)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(yīng)力，防止壩肩開(kāi)裂破壞，使大壩安全運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果為拱壩設(shè)計(jì)和施工提供了重要理論依據(jù)。

(3) 壩肩切角部位主拉應(yīng)力比較大，可就切角部分使用高強(qiáng)度混凝土，既節(jié)約了工程造價(jià)，又有利于壩肩拉應(yīng)力的減小。

(4) 壩肩切角的尺寸大小不明確，接下來(lái)需要解決的難題是對(duì)切角進(jìn)行尺寸優(yōu)化，找出一個(gè)適合壩體的尺寸，在混凝土用量盡可能少的情況下使壩肩拉應(yīng)力減少效果最佳。

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(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)

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.

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

TV642.45

A

1001-5485(2017)10-0145-04

2016-06-16；

2016-08-30

簡(jiǎn) 威(1992-)，女，江西宜春人，碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)分析及數(shù)值仿真研究，(電話)15667080087(電子信箱)491929622@qq.com。

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