使用面墻技術(shù)的碾壓混凝土重力壩應(yīng)力變形分析研究

武 力

(黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，哈爾濱 150081)

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使用面墻技術(shù)的碾壓混凝土重力壩應(yīng)力變形分析研究

武 力

(黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，哈爾濱 150081)

碾壓混凝土壩在諸多壩型選擇上有明顯的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)今在建的大壩中已成為水利樞紐的首先考慮的壩型選擇。其明顯優(yōu)勢(shì)在于工程施工中，混凝土面墻可以成為壩體的一部分，也可輔助施工澆筑混凝土大壩，很大程度上滿足其技術(shù)要求和工期要求。文章主要以已建的某碾壓混凝土重力壩，基于混凝土面墻技術(shù)的壩體為研究對(duì)象，采取合理的本構(gòu)模型，運(yùn)用大型有限元計(jì)算軟件ANSYS，基本原理基于三維有限元溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相似的機(jī)理，分兩種工況竣工期、蓄水期對(duì)整個(gè)壩體的應(yīng)力變形進(jìn)行了計(jì)算分析研究。通過(guò)二種工況下的計(jì)算結(jié)果結(jié)合已有的工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證三維有限元分析的合理性，并得出壩體應(yīng)力變形結(jié)果滿足使用要求。本次計(jì)算分析結(jié)果對(duì)實(shí)際工程的壩工設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

碾壓混凝土重力壩；混凝土面墻；永久式模板；應(yīng)力變形

1 緒 論

混凝土面墻與預(yù)制混凝土模板的機(jī)理相似，是屬于永久式模板，使之成為壩體的一部分。工程施工時(shí)常采用滑模機(jī)攤鋪和振搗，進(jìn)而澆筑形成的混凝土面墻。此工藝忽略拆除模板的工序，很大程度上可以節(jié)省工期，同時(shí)成為壩體的永久護(hù)面?；炷撩鎵δ雺夯炷林亓紊系某晒?yīng)用，在壩工設(shè)計(jì)中顯示出極大的優(yōu)勢(shì)?；炷撩鎵夹g(shù)的特點(diǎn)在大壩造價(jià)中也能體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，它可以明顯降低施工模板的造價(jià)，減少混凝土澆筑時(shí)層間塊間的間隔時(shí)間，同時(shí)滿足快速施工、節(jié)省工期的特點(diǎn)。但是作為一種新興技術(shù)，尚在大壩設(shè)計(jì)中技術(shù)還未成熟，需慎重考慮混凝土面墻處于擋水壩的迎水面，其滲流影響、應(yīng)力應(yīng)變能否符合混凝土重力壩的設(shè)計(jì)施工和運(yùn)行觀測(cè)要求，目前理論支撐不足，因此在工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造的合理性上，基于面墻技術(shù)的在碾壓混凝土重力壩中此方面的研究具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

2 工程概況

某水利水電樞紐工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼具防洪、灌溉等。水庫(kù)總庫(kù)容2625萬(wàn)m3，正常蓄水位585m，電站裝機(jī)總?cè)萘?0MW，保證出力4.94MW，年均發(fā)電量17865萬(wàn)kWh。此樞紐工程主要建筑物為拱壩、左岸廠房、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)和導(dǎo)流洞等建筑物組成。混凝土拱壩壩頂高程589.00m，壩底高程494m，最大壩高設(shè)計(jì)95m；3個(gè)溢流表孔設(shè)計(jì)在壩頂，堰頂高程575m，采用溢流泄洪，消能方式采用差動(dòng)式挑流鼻坎消能，壩體平面布置如圖1。

圖1 平面布置圖

2.1 計(jì)算工況

基本資料：壩頂高程593.00m，壩底高程498.00m。正常蓄水位590.00m，相應(yīng)下游水位515.00m。淤沙高程506.00m。內(nèi)摩擦角14°，浮容重8.5kN/m3。

2.2 模型建立

有限元分析模型計(jì)算對(duì)象以最大壩高壩段及壩基作為計(jì)算對(duì)象。模型選定的計(jì)算范圍：上、下游自壩踵處各向延伸95m，豎直方向自壩基向下延伸95m。有限元模型計(jì)算單元?jiǎng)澐植捎肧OLID45單元和SOLID65單元。計(jì)算模型共劃分的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)如下：?jiǎn)卧倲?shù)19454個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)22083個(gè)。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖2。

圖2 施工期壩體網(wǎng)格劃分圖

2.3 材料參數(shù)

壩體材料物理力學(xué)、熱學(xué)參數(shù)表如表1。

表1 壩體材料物理力學(xué)、熱學(xué)參數(shù)表

2.4 邊界條件

有限元計(jì)算模型定義的結(jié)構(gòu)邊界條件為：在上游和下游邊界面施加相應(yīng)鏈桿約束，左、右岸壩肩施加相應(yīng)鏈桿約束，在大壩底部邊界面施加三向約束。

3 計(jì)算結(jié)果

施工期是將壩體自重和溫度荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，根據(jù)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4、圖5。

圖3 竣工時(shí)大壩x方向的正應(yīng)力等值線圖

圖4 竣工時(shí)大壩剖面y方向的正應(yīng)力等值線圖

圖5 竣工時(shí)大壩z方向的正應(yīng)力等值線圖

圖3可得出，施工期的x方向主要為拉應(yīng)力。大部分應(yīng)力值較大的均分布在壩體底端，拉應(yīng)力最大值0.10MPa。在大壩兩端也存在部分壓應(yīng)力，主要分布區(qū)域在上游和下游面，壩基礎(chǔ)出現(xiàn)最大值為0.24MPa。大壩中間部位也出現(xiàn)一些拉、壓應(yīng)力，但數(shù)值均偏小。

圖4可得出，施工期的y方向主要為拉應(yīng)力。大壩上游和下游面均出現(xiàn)一定的壓應(yīng)力。壓應(yīng)力最大值產(chǎn)生于壩基處，最大值為0.34MPa。上游和下游面的位置拉應(yīng)力值相對(duì)大些，其中上游面出現(xiàn)最大值為0.36MPa。大壩中間部位也有壓應(yīng)力的產(chǎn)生。

圖5中可得出，施工期z方向主要為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)域相比極小，其應(yīng)變數(shù)值均較小，最大值僅為0.08MPa。壓應(yīng)力由下游面到上游面逐漸變大，最大值產(chǎn)生于壩基處，最大值為1.32MPa。由上述數(shù)據(jù)可以推斷施工期應(yīng)力滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求

蓄水期使用有限元軟件計(jì)算大壩壩體的應(yīng)力應(yīng)變情況，計(jì)算分析結(jié)果如圖6、圖7、圖8。

圖6 蓄水期大壩x方向的正應(yīng)力等值線圖

圖7 蓄水期大壩y方向的正應(yīng)力等值線圖

圖8 蓄水期大壩z方向的正應(yīng)力等值線圖

圖6中可得出，蓄水后x方向主要為壓應(yīng)力，數(shù)值分布均勻，大小保持在0.14MPa左右。壩基底部出現(xiàn)壓應(yīng)力最大值，其值為0.95MPa。應(yīng)力分布規(guī)律與施工期基本保持一致，但數(shù)值基本偏大。分析由于蓄水后大壩上游x方向上的壓應(yīng)力均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，導(dǎo)致壩基處出現(xiàn)部分拉應(yīng)力，其值均較小，拉應(yīng)力最大值通過(guò)計(jì)算僅為0.06MPa。

圖7中可得出，蓄水后y方向主要為壓應(yīng)力，數(shù)值均不大，大小保持在0.08MPa左右。同時(shí)蓄水后部分區(qū)域出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在大壩上、下游的壩基處，與施工期的分布規(guī)律保持一致。

圖8中可得出，蓄水后z方向主要為壓應(yīng)力，此應(yīng)力分布規(guī)律隨著大壩高度的減小應(yīng)力值緩慢變大，最大值出現(xiàn)于壩基處，其值為0.66MPa。拉應(yīng)力出現(xiàn)范圍局限，大壩中央部分很顯著，其次也在壩基處小范圍的分布著。比較明顯的是在混凝土面墻和大壩的結(jié)合處存在拉應(yīng)力，其最大值為0.14MPa。以上計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了蓄水期的應(yīng)力變形滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)某水利樞紐工程進(jìn)行的有限元數(shù)值仿真計(jì)算分析，得出碾壓混凝土重力壩和混凝土面墻在不同工況下的應(yīng)力變形均符合規(guī)范的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)要求，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比均比較符合，由以上計(jì)算結(jié)果表明：基于面墻技術(shù)的碾壓混凝土重力壩是可以應(yīng)用到工程實(shí)際中。這項(xiàng)新技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比，特點(diǎn)顯著，現(xiàn)目前在已建的工程實(shí)例均可以借鑒，并取得了很好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。后期將做進(jìn)一步理論研究，研究在結(jié)構(gòu)適用性上的合理性，對(duì)這種技術(shù)的普及提供一定的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。

[1]張鏡劍.碾壓混凝土壩的歷史、現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2000(03)：1-7

[2]余衛(wèi)平,耿克勤,汪小剛,等.某水電站碾壓混凝土壩三維非線性有限元分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2006(02)：6-10.

1007-7596(2017)04-0023-03

2017-03-06

武力(1974-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師。

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