某混凝土高拱坝整体安全度评估.pdf
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1、第 3 8卷第 4期 2 0 1 2年4月 水 力 发 电 某 混 凝 土 高 拱 坝 整 体 安 全 度 评 估 任威威 ,苏 超 ,陈 丽 2 王璞 东 。 ( 1 河海大学水利水 电学院 ,江苏南京 2 1 0 0 9 8 ;2 沈 阳市浑北灌 区管理处 ,辽 宁 沈阳 1 1 0 0 3 6 ;3 辽 宁省大伙房水库管理局 ,辽宁 抚 顺1 1 3 0 0 7 ) 摘 要 :某混凝土双曲拱 坝坝型和地质条件较为复杂 。需要开展拱坝结构特性研究 ,为此 ,就拱坝在基本荷载组合 和特殊荷载组合下的应力 、稳定状态 、影响坝体应力变形状态 因素 的敏感性和拱坝的超载安全度等进行分析 ,并采
2、用三维非线性有 限元超载法对拱坝一 地基系统的整体安全性进行研究 确定了系统的整体超载安全度 。 关键词 :高拱 坝:整体安全度 ;超载法 Ev a l u a t i o n o n Ov e r a l l S a f e t y De g r e e o f a Hi g h Ar c h Da m R e n We i w e i , S u C h a o , C h e n L i 。 , W a n g P u d o n g ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o w e r
3、 E n g i n e e r i n g , H o h a i U n i v e r s i t y , N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 , J i a n g s u , C h i n a ; 2 S h e n y a n g Ma n a g a g e me n t o f Hu n Be i I n n i g a t i o n Di s t r i c t , S h e n y n a g 1 1 0 0 3 6 , L i a o n i n g , C h i n a ; 3 L i a o n i n g P r o v i n c i a
4、l C o n s e r v a n c y o f D a h u o f a n g R e s e r v o i r , F u s h u n 1 1 3 0 0 7 , L i a o n i n g , C h i n a ) Ab s t r a c t : As t h e c o mp l e x g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a n d d a m s h a p e , t h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a d o u b l e -
5、 c u r v a t u r e a r c h d a m n e e d s t o b e s t u d i e d T h u s ,t h e s t r e s s , s t a b i l i t y ,s e n s i t i v i t y o f f a c t o r s w h i c h a ff e c t i n g s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n s t a t e , a n d s a f e t y o v e r l o a d o f t h e d a m a r e a n a l y z e
6、 d u n d e r the a c t i o n o f b a s i c l o a d c o mb i n a t i o n s a n d s p e c i a l l o a d c o mb i n a t i o n s Th e o v e r all s a f e t y o f d a m - f o u n d a t i o n s y s t e m i s als o s t u d i e d b y t h e t h r e e - d i me n s i o n a l n o n l i n e a r fi n i t e e l e
7、me n t o v e r l o a d me tho d ,a n d fi n all y i t i s c o n fi rm e d Ke y W o r d s : h i g h a r c h d a m; o v e r a l l s afe t y d e g r e e ;o v e r l o a d me t h o d 中图分类号 : T V 3 l 1 2 ;T V 6 4 2 4 2 文献标识码 : A 文章编号 : 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 2 1 0 3 0 引言 某 拱 坝 为 抛 物 线 型 双 曲 混
8、 凝 土 拱 坝 ,最 大 坝 高 1 5 8 m。 坝 址 河 道 较 顺 直 , 河 谷 狭 窄 呈 基 本 对 称 的 “ V” 形 ,左 岸 地 形较 陡竣 ,右 岸 地形 以 陡崖 为 主 , 两 岸卸 荷 岩体 不 甚发 育 ,岩体 相 对较 完 整 ,边 坡 岩 体稳 定 。坝址 区内 出露 地层 主 要 为吉 岔 辉 长岩 ,块 状 结构 ,第 四系主要 分布 于河 床 、左 岸下 游地 带 等 。 地 质构造 以节 理裂 隙为 主 ,基 岩总 体为 弱透 水岩 体 。 坝 区岩 体 以 表层 中等 风化 为 主 ,岸 坡岩 体 以 弱卸 荷 松 弛 为 主 ,强卸 荷 松 弛
9、岩体 仅 局 部 存在 。河 床覆 盖 层 最 大厚 度 为 2 7 0 IT I ,以坝址 上 游 地带 较 厚 。由于 地 质条 件 较 为复 杂 设 计 需要 开 展 拱坝 结 构 特性 研 究 ,进 行 安 全 评 价 。 拱 坝 安 全 性 评 价 卅方 法 有 试 验 法 l 5 】6 、 经 验 判 定 法 、数值 分 析法 7 - 9 以及 结 合其 他 数 学理 论 提 出的方 法 等 。本 文 采用 以非线 性 有 限元 分 析结 果 为 基础 的 高拱坝 安全 度评 价方法 。主要研究 内容 如下 : ( 1 )建 立混 凝土拱 坝一 地基 系统 三维有 限元精 细 数值
10、 仿 真模 型 ,研 究 不 同计 算 工况 下 混凝 土 拱坝 的 应力变 形 特性 分析 坝体 的安全性 和破 坏特 征 。 ( 2)采用超 载法研 究拱 坝一 地基 系统 的整体 安全 性 ,确定 系统 的整体超 载安 全度 。 1 计算模型与计算工况 1 1 计算 范 围和整体 坐标 系 以坝 体 坐标 原 点 为参 考 点 ,上 下游 方 向及横 河 向长度 左 右各 取 2倍 左 右 坝高 ,竖直 方 向河 床 建基 面 以下取 1 5倍坝 高 ,坝顶 以上取 8 0 1T I 。 整 体 坐标 系 轴 指 向 下游 ,y轴 指 向左 岸 ,z 收稿 日期 :2 0 1 1 - 1
11、 0 2 4 作 者简介 :任威 威( 1 9 8 8 一 ) ,男 ,江苏徐州 人 ,硕 士研究 生 主要 从事水工结构 的仿真 计算 W a t e r P o w e r V o 1 3 8 N o 4 团 小 发电 zU1 z =亡 亡 4 = J 轴 竖 直 向上 ,组 成右 手 坐标 系 。坐 标 原 点位 于零 高 程 上 。 1 2 网格剖 分 双 曲拱 坝 坝 顶 高 程 1 7 4 0 i n,坝 底 高 程 1 5 8 2 1 1 3 ,最 大坝 高 1 5 8 1T I 。拱最 大 中心角 8 8 4 6 。 ,厚 高 比 为 0 2 3 1 0,最 大 倒 悬 度 0
12、 2 1 。 为 了更好 地 模 拟坝 体 ,提 高 应力 精 度 ,沿 拱 坝 厚 度 、 高 度 、长 度 方 向 分 别 剖 分 成 1 0、 5 6、 1 4 2层 单元 。拱坝 与 地基 系统 整 体 的结 点 和单 元数 分 别 为 1 5 7 5 5 4个 和 1 4 4 2 4 8个 。此外 ,有 限元 数值模 型 中 比较 真实 地模 拟 了包括 F 、F 等断层 在 内的地 质 构 造特 征 。绝 大部 分 实体 单 元是 六 面体 八 节 点线 性单 元 ,建 基 面和 断层 采用 薄 层单 元 。三维 有 限元 网格 见 图 1 Z Y 图 1 坝 体 一 坝 基 整
13、体 网 格 1 3材 料的 屈服准 则 在计 算分 析 中 ,坝 体 混凝 土 采用 线 弹性 本 构模 型 坝 基 岩 体 采 用 基 于 D r u c k e r P r a g e r准 则 的 弹 塑 性 本 构 模 型 ,Dr u c k e r P r a g e r准 则 的强 度 参 数 按 内 角点 外接 圆等效 准则 由材料摩 擦 角和凝 聚力求 得 。 1 4计算 工况与 荷载 荷载包 括地 应力 、坝 白重 、水压力 、泥沙 压 力 、 扬 压力 并考 虑在 温 升 、温 降下 的组合 。不 同工 况 荷 载组 合见表 1 。 表 1 不同工况合作组合 工况 荷载组合
14、 正常蓄水位+ 温升 正常蓄水位+ 温降 死水位+ 温升 死水位+ 温降 上游设计洪水位+ 温升 上游校核洪水位+ 温升 注:采用 自重应力作为坝址区的地应力场 。 1 5材料参 数 ( 1 ) 混 凝 土 。 坝 体 混 凝 土 主 要 为 三 级 配 C 9 0 2 5 和 C 9 o 2 0碾 压 混 凝 土 。弹 性 模 量 1 8 GP a ,泊 松 比 0 1 6 7容 重 2 4 k N m ,线 胀 系 数 1 0 x1 0 。 C。 ( 2 )岩 体 。 基 岩 物 理 力 学 参 数 见 表 2 。 圈W a t e r P o w e r V o 1 3 8 N o 4
15、表 2计算采用 的岩体材料参数 彗 霍 g黻gcm兽t LL 薰 中风化 2 8 9 6 8 0 2 0 0 9 1 0 1 0 1 1 0 9 1 0 9 1 0 微风化 新鲜2 9 5 1 O l 2 0 2 1 1 2 1 3 1 3 1 5 1 1 1 2 1 0 1 1 2 稳定分析方法 研 究 采 用 超 载 法 7 1 确 定 拱 坝 一 地 基 系 统 的 整 体 安 全 度 。本 研 究 中采 用水 容 重 超载 法 进行 分 析 ,并 在 分 析 过程 将 综合 运 用如 下 几 种判 据 来确 定 系 统是 否 达 到 极 限 平 衡 状 态 。 ( 1 )收敛 性 判据
16、 。 由于整 体 失稳 时 系 统 的部 分 或全 部 已处 于 塑性 状 态 ,变 形 迅速 增 加 ,而 承 载力 下 降或 保持 不 变 。 因而 ,荷 载 变形 曲线在 极 值 点处 切 线 平行 于 代 表变 形 坐标 轴 ,这 在 计 算上 的反 映就 是迭 代 过程 不 收敛 。所 以在 进 行 弹塑 性分 析 的 过程 中 ,在 排 除其 他 原 因之 后 ,确 实是 由于 塑性 区发展 太 大引起 的迭代 计算 不收敛 ,可 以作 为系统 失稳 o _ 2 的 判 据 。 ( 2 ) 突 变 性 判 据 。 系 统 处 于 极 限 平 衡 状 态 表 示 它 由一 种 平 衡
17、 状 态 向 另 一 种 平 衡 状 态 转 变 ,也 就 是 说 系统 的状 态 发 生 了突 变 。突 变性 判 据认 为 任 何 能 够反 映系统 状态 突变 的现象都 可 以作 为失稳 判 据 。 目前 比较 常 用 的 有 :关 键 部 位 的相 对 位 移( 应 变 ) 或 位 移 突然 变 大 ;关 键 部 位 的位 移 速 率 突 然 变 大 ; 结 构 的塑性 屈 服 区太 大 ,形 成 滑移 通道 ;外力 所 作 的功 与系统形 变势 能不 能平衡 等 。 3 各工况的位移和应力 表 3 、 4列 出 了 代 表 性 工 况( 工 况 2、6 ) 下 由 有 限元分 析得
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