小山口水电站砂砾石面板坝三维静、动力有限元计算分析.pdf
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1、云南水力发电YUNNAN WATER POWER101第 40卷第 2期0 引言近年来,混凝土面板堆石坝因其出色的坝坡稳定性、良好的抗震性和优越的透水性等显著优势,深得水利工程建设者的认可。然而,在国内外已建或在建的混凝土面板堆石坝项目中,一些工程在竣工后或正常运行期间出现了以下问题:小山口水电站砂砾石面板坝三维静、动力有限元计算分析陆云才(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000)摘要:鉴于小山口水电站为软岩基础,坝体较长,且混合坝接头部位非常复杂。为了解决该坝体面临的变形控制难、坝体抗震等级高等设计难题,结合砂砾石面板坝结构、坝壳料设计,通过构建三维有限元模型,
2、该模型包括坝体、泥岩和沙质泥岩基础组成。在静力本构分析中,采用了非线性邓肯 E-B 模型,而在动力本构分析中,则使用了等效线性粘弹性模型。通过这个模型,对坝体的应力和变形进行了全面系统的研究和分析,同时对坝体的抗震性能和抗震稳定性进行了验证。结果表明,在各种工况下坝体所表现出的变形规律合理。同时在混凝土面板最大拉应力和压应力都符合所采用混凝土材料的允许应力要求,坝体的抗震性能和抗震稳定性满足规范要求。关键词:小山口水电站;砂砾石面板坝;静、动力有限元分析;应力应变中图分类号:TV641.4+3文献标识码:A文章编号:1006-3951(2024)02-0101-06DOI:10.3969/j.
3、issn.1006-3951.2024.02.024Three Dimensional Static and Dynamic Finite Element Calculation and Analysis of the Sand Gravel Panel Dam at Xiaoshankou Hydropower StationLU Yuncai(Xinjiang Institute of Water&Hydropower Engineering Investigation,Design and Research Co.,Ltd.,Urumqi 830000,China)Abstract:Xi
4、aoshankou Hydropower Station has a soft rock foundation,a long dam body,and very complex joints in the mixed dam.In order to solve the difficulties of deformation control and high seismic resistance design faced by the dam body,combined with the design of sand and gravel panel dam structure and dam
5、shell material,a three-dimensional finite element model was constructed,which includes the dam body,mudstone,and sandy mudstone foundation.Nonlinear Duncan E-B model is usedin static constitutive analysis,and the equivalent linear viscoelastic model is usedin dynamic constitutive analysis.Through th
6、is model,a comprehensive and systematic study and analysis of the stress and deformation of the dam body are conducted,and the seismic performance and stability of the dam body are verified.The results indicate that the deformation patterns exhibited by the dam body under various working conditions
7、are reasonable.At the same time,the maximum tensile stress and compressive stress of the concrete panel meet the allowable stress requirements of the concrete material used,and the seismic performance and stability of the dam body meet the specification requirements.Keywords:Xiaoshankou Hydropower S
8、tation;sand gravel panel dam;static and dynamic finite element analysis;stress strain收稿日期:2023-09-10基金项目:水利部 2022 年重大科技项目(SKS-2022111)作者简介:陆云才(1986-),男,安徽蚌埠人,高级工程师,主要从事水利水电工程设计工作。*102云南水力发电2024 年第 2 期坝体不均匀变形,面板存在较多裂缝,并且有时发生挤压破坏和地震后坝体出现开裂,还有下游边坡发生小范围滑坡的情况1。所以,对于大坝的安全运行而言,坝体的变形控制和坝坡的稳定性至关重要。小山口水电站坝体所在
9、的河谷底宽1 0001 100 m,坝基岩性为泥岩、砂岩夹砂砾岩,软岩基础上修建长度超过 1 km 长的面板坝国内外比较少见,无形中增加设计难度。文中构建了一个用于面板堆石坝的三维有限元计算模型,采用邓肯张 E-B 模型来描述填筑料的静力本构行为,并使用等效黏弹性模型来描述动力本构行为,分析典型坝段的应力和位移以及坝基变形协调情况,同时根据有限元与极限平衡计算结果,综合评价大坝的抗震安全性。1 工程概况小山口水电站是开都河上第十级水电站,位于巴音郭楞蒙古自治州和静县境内。由混合坝、表孔溢洪道、导流兼泄洪底孔、发电引水系统和电站厂房组成2。混合坝由重力坝和面板坝组成,其中重力坝段最大坝高 46.
10、6 m,面板坝段最大坝高 37.6 m。坝顶长度 1 181 m,坝顶宽度 6 m。水库正常蓄水位 1 316 m,死水位 1 314 m,设计洪水位 1 316.29 m,校核洪水位 1 318.71 m。总库容5 060104 m3,电站装机容量 49.5 MW。坝址地区的基准地震烈度为 8 度,大坝的抗震设计标准达到 8 度。在 50 a 的超越概率为 10%的情况下,地震的最大加速度峰值为 0.20 g。1.1 地质概况河谷两岸左陡右缓,成不对称“U”形谷,谷底宽 1 000 1 100 m。左岸为 IV 级阶地陡坎,坡角 85以上,地面高程 1 326 1 335 m,坡顶为阶地砂卵
11、砾石。基岩面高程 1 318 1 320.64 m,岩性为泥岩、砂岩夹砂砾岩,产状 319 NE 10,岩层倾向坡里,倾角很缓。右岸为 IV 级阶地,高程 1 324 m,基座面高程 1 319.23 1 320.77 m,坡上岩质边坡,岸坡坡度 60 87;阶地砂卵砾石石层厚 5 8 m。基岩为泥岩、砂岩、岩层倾向坡外。河谷分为河床及洪积扇段,靠左岸的河床及河漫滩段长约 470 m,河床堆积物为砂卵砾石目标层为黏土层;下部为砂卵砾石层,地下水埋深 1.5 1.6 m 左右;基岩为泥岩、沙质泥岩。强风化层厚度 3 4.5 m,弱风化层 8 m。靠右岸洪积扇段长 620 m,上部为洪积砂质砂土及
12、黏土层,厚度分别为 4 9 m 和 2 5 m;下部为冲击砂卵砾石层,地下水埋深 4 15.1 m;基岩为泥岩、砂岩。地址区分布的地层是新生界第三系中新统N1t 地层和第四系的沉积物。N1t 岩性主要由泥岩和砂质泥岩组成,其中部分区域与砂岩交替出现,并夹杂着砂砾岩,岩体完整,岩层呈现出完整的连续分布。1.2 面板坝结构设计坝顶高程 1 320.6 m,最大坝高 37.6 m,坝顶984 m,坝顶宽度 6 m。防浪墙顶高程 1 321.8 m。混凝土面板砂砾石坝左坝肩座落于级阶地阶坎,右坝肩座落于规模较大的两条冲沟之间,两岸边坡直立,卸荷裂隙带宽 5 15 m,坝轴线处趾板自陡坎边缘嵌入 30
13、m,上游坡脚趾板嵌入 5 m,坝轴线为直线。上游坝坡11.5,下游坝坡11.6,下游坝坡设浆砌石框格填石护坡。坝体剖面结构主要由面板上游防渗补强区和盖重区、混凝土面板、垫层、过渡层、竖向和水平排水体、主堆石区、次堆石区组成,具体结构见图 1。2 有限元计算分析2.1 筑坝料材料静力本构模型坝体采用强度高、变形小的砂砾石料进行填筑,砂砾石料静力本构采用非线性邓肯E-B模型。切线弹性模量,其表达式为:(1)根据摩尔库仑准则,得到:(2)对于卸荷再加载情况,用卸荷再加载模量 Eur代替 Et:(3)切线体积模量 B:(4)采用下式计算泊松比 v:(5)以上各式中的土体参数 c,k,kur,n,kb,
14、陆云才 小山口水电站砂砾石面板坝三维静、动力有限元计算分析103m,Rf可由三轴试验测得。原本的模型适用于处理平面应变问题,但当扩展到处理三维问题时,可以用广义剪应力 q 来代替(1-3),用平均主应力 p 代替 3,用三维的 Mohr-Coulomb 准则 qf代替(1-3)f计算3。(6)(7)(8)式中的 为应力 Lode 角,如下式所示:(9)将公式(6)、(7)和(8)代入到原来的Duncan-Chang 模型中,土体的切线模量:(10)式中:S应力水平,反映了土体强度发挥的程度。垫层料和过渡料等同样采用此类本构模型。坝体填筑料邓肯 E-B 模型参数见表 1。表 1 坝体填筑料邓肯
15、E-B 模型参数表名称/(g/cm3)o/KnRfKbm主堆石区砂砾料2.1848.58.2957.6 0.710.81 1 143.9 0.16过渡料2.2047.56.5785.1 0.570.79 1 004.8 0.08垫层料2.2347.56.5785.1 0.570.79 1 004.8 0.082.2 接触面的本构模型采用无厚度古德曼(Goodman)接触面单元模型,在混凝土面板、趾板、高趾墙和垫层料之间建立无厚度的接触面,并采用邓肯和克拉夫提出的双曲线模型描述本构关系4。对于三维问题,法向刚度 Kyy在接触面受压时取 106 t/m3,反之取 10 t/m3;切线方向刚度分别表
16、示为:(11)(12)式中:K1无因次量,通过直剪试验得到;w水容重;两接触面材料间的摩擦角;n、Rf通过直剪试验得到指数与破坏比 4。接触面本构模型参数见表 2。表 2 接触面本构模型参数表材料K1nRf接触面4 8000.5636.60.742.3 填筑料的动力本构模型通过利用等效线性黏-弹性模型构建筑坝材料的动力计算本构模型5,其中最大动剪切模量表示为 (13)式中:K、n通过试验求得;m=(1+2+3)/3,1、2和 3作用于试样的有效主应力;Pa工程大气压。将 G/Gmax及阻尼比 与动剪应变 的动力试验数据进行回归分析,可得到动剪模量G/Gmax与动剪应变、阻尼比 与动剪应变 的关
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