上溝水利樞紐擋水壩抗滑穩(wěn)定分析

魏雪斐, 涂興懷, 付成華, 王紀(jì)海

(西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,四川成都 610039)

上溝水利樞紐擋水壩抗滑穩(wěn)定分析

魏雪斐, 涂興懷, 付成華, 王紀(jì)海

(西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,四川成都 610039)

使用ANSYS軟件建立了上溝水利樞紐擋水壩有限元模型,考慮水壓力、揚(yáng)壓力、泥沙壓力的影響,得出壩體的位移圖和應(yīng)力圖,繼而計(jì)算出壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。分析結(jié)果表明,該混凝土重力壩能夠滿足正常工況和特殊組合下的穩(wěn)定性要求。

上溝水利樞紐;ANSYS;穩(wěn)定分析

1 概 述

上溝水利樞紐位于吉林省敦化市牡丹江上游。其擋水壩抗滑穩(wěn)定分析的目的是核算壩基面或沿地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定的安全度。應(yīng)力分析的目的是為了檢驗(yàn)大壩在施工期和運(yùn)行期是否滿足強(qiáng)度要求,同時(shí)也是為研究解決設(shè)計(jì)和施工中的某些問(wèn)題提供依據(jù)。重力壩應(yīng)力分析的方法有多種,如材料力學(xué)法、彈性理論的差分法、解析法、有限元法等,應(yīng)用較廣泛的是材料力學(xué)法和有限元法。筆者應(yīng)用ANSYS軟件模擬了上溝水利樞紐擋水壩的兩種工況,對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行了分析,以檢驗(yàn)壩體是否能滿足抗滑穩(wěn)定要求。

2 本次建模使用的一般參數(shù)

大壩:彈性模量E=2.85×104MPa,泊松比ν =0.167,密度2 400 kg/m3,張開(kāi)剪切傳遞系數(shù)0.3,抗拉強(qiáng)度f(wàn)t=1.96 MPa,抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=22 MPa。

基巖:彈性模量E=2.67×104MPa,泊松比ν =0.3,密度2 600 kg/m3。

此次計(jì)算的基本假定:

(1)壩體和壩基連續(xù);

(2)壩基和壩體的材料是均勻的;

(3)基巖模型采用線彈性本構(gòu)模型。

3 擋水壩有限元建模

壩頂寬12.0 m,壩底寬40.0 m,壩高44.5 m,地基上、下游和高度均取壩高的2倍。

(1)約束情況:基巖作為固定端施加全約束,垂直水流流向的壩基施加X(jué)方向約束,地基底部施加三個(gè)方向的約束。

(2)主要面荷載:上、下游靜水壓力;泥沙壓力;揚(yáng)壓力。

荷載施加分基本組合和特殊組合兩種工況,其數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 工況參數(shù)表/m

4 應(yīng)力計(jì)算

4.1 基本組合加載及計(jì)算情況(圖1、2,表2)

圖1 基本組合第一主應(yīng)力圖

圖2 基本組合第三主應(yīng)力圖

基本組合位移圖見(jiàn)圖3、4、5。

圖3 基本組合X方向位移圖

圖4 基本組合Y方向位移圖

圖5 基本組合總位移圖

表2 基本組合結(jié)果分析表

規(guī)范要求擋水壩段壩踵的拉應(yīng)力區(qū)深度應(yīng)小于壩底寬度的7%。由以上圖表可以看出,擋水壩段壩踵的拉應(yīng)力區(qū)深度為1.3 m,小于壩底寬度的7%(2.8 m),故壩體所受應(yīng)力滿足規(guī)范要求。該工況下,壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.6,大于規(guī)范要求的1.1,故壩體滿足抗滑穩(wěn)定要求并具有一定的安全儲(chǔ)備。

4.2 特殊組合加載及運(yùn)算情況(圖6、7,表3)

圖6 特殊組合第一主應(yīng)力圖

圖7 特殊組合第三主應(yīng)力圖

表3 特殊組合結(jié)果分析表

特殊組合位移見(jiàn)圖8、9、10。

圖8 特殊組合X方向位移圖

圖9 特殊組合Y方向位移圖

圖10 特殊組合總位移圖

由以上圖表可以看出,擋水壩段壩踵拉應(yīng)力區(qū)深度為1.2 m,小于壩底寬度的7%(2.8 m),故壩體所受應(yīng)力滿足規(guī)范要求。該工況下壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.4,大于規(guī)范要求的1.05,故壩體滿足抗滑穩(wěn)定要求并具有一定的安全儲(chǔ)備。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者運(yùn)用有限元法對(duì)上溝水利樞紐擋水壩進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定分析,由圖表中的數(shù)據(jù)可以看出,擋水壩在基本組合、特殊組合作用下應(yīng)力、變形和位移值均在規(guī)范規(guī)定值以內(nèi),能夠滿足設(shè)計(jì)、施工要求。由于上溝水利樞紐工程壩基處的工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜,而模型中所采用的地基材料和壩體材料均進(jìn)行了均一化處理,這就意味著理論上提高了壩體的安全系數(shù),因此,建議在施工過(guò)程中一定要重視和強(qiáng)化對(duì)地基的處理工作,并加強(qiáng)對(duì)壩體施工的質(zhì)量控制,使之滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 天津大學(xué).水工建筑物[M].北京:中國(guó)水利電力出版社, 1997.

[2] 河海大學(xué),大連理工大學(xué),西安理工大學(xué),清華大學(xué),合編.水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)(第三版)[M].北京:中國(guó)水利電力出版社,1996.

[3] 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范,ADJ 21-84[S].

[4] 張光斗,王光緒,主編.水工建筑物(上冊(cè))[M].北京:中國(guó)水利電力出版社,1992.

[5] 張昌齡,主編.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(5),混凝土重力壩[M].北京:中國(guó)水利電力出版社,1987.

(責(zé)任編輯:李燕輝)

Analysis on Dam Stability against Sliding at Shanggou Hyd ropower Project

WEIXue-fei TU Xing-huai FU Cheng-hua WANG Ji-hai
(School of Energy and Environment of Xihua University,Chengdu,Sichuan,610093,China)

Considering water pressu re,uplift pressure,sediment pressure,an finite elementmodel for water retaining dam at Shanggou hydropower p rojectwas developed by ANSYS program software.Therefore,disp lacement diagram and stress diagram for dam body are obtained,then safety factor for dam stability against sliding isworked out.The analysis results show that this concrete gravity dam is stable under normal load conditions and special load combination conditions.

Shanggou hydropower project;ANSYS;stability analysis

TV22;TV31;TV 64

B

1001-2184(2010)01-0079-03

2009-01-07

魏雪斐(1984-),男,山西太原人,在讀碩士研究生,研究方向:水工結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化技術(shù);

涂興懷(1964-),男,四川閬中人,副教授,碩士生導(dǎo)師,碩士,從事水工結(jié)構(gòu)教學(xué)與科研工作;

付成華(1978-),女,湖北襄樊人,副教授,博士,從事水工結(jié)構(gòu)教學(xué)與科研工作;

王紀(jì)海(1966-),男,吉林九臺(tái)人,副教授,碩士,從事水工結(jié)構(gòu)教學(xué)與科研工作.