華亭縣車廠溝水庫主壩結構應力復核計算

潘彩霞　樊尚斌

摘 要：車廠溝水庫是華亭縣一座以灌溉為主的Ⅴ等小（2）型水庫，大壩主壩型為漿砌石重力拱壩，基本剖面為梯形單曲厚拱，上游面基本垂直，下游壩坡坡度為1：0.35，本文通過拱冠梁法的計算，并對大壩及其相關部位進行三維有限元分析，按兩種工況下有限元等效應力法求出的拱壩上、下游面最大主拉應力和最大主壓應力及其出現的位置，計算結果表明，在各種靜力荷載組合工況下，拱壩的最大主拉應力和最大主壓應力都小于相應的容許值，滿足規(guī)范要求。

關鍵詞：主壩；結構應力；復核；計算

中圖分類號：TV64 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）16-0080-02

1 車廠溝水庫概況

車廠溝水庫原設計是一座以灌溉為主的Ⅴ等小（2）型水，總庫容24.59×104m3，興利庫容20.6×104m3，水庫樞紐建筑物主要有漿砌石重力拱壩（含壩身泄水孔）、粘土心墻副壩、生活供水引水口等。

2 基本資料

2.1 特征水位及流量

水庫設計死水位為2000.50m，現狀死水位為2014.90m；正常蓄水位為2021.50m；20年一遇的設計水位為為2021.90m，最大入庫流量為31.14m3/s，相應的最大下泄流量為30.73m3/s；100年一遇的校核水位為為2024.47m，最大入庫流量為138.64m3/s，相應的最大下泄流量為133.90m3/s。

2.2 地震設防烈度

根據《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》和《中國地震動反應譜特征周期區(qū)劃圖》，該區(qū)地震動峰值加速度為0.2g，地震動反應譜特征周期為0.45s，對應的地震基本烈度為Ⅷ度。

2.3 主壩基本參數

車廠溝拱壩結構漿砌石、壩基巖石等各材料的主要物理力學參數如下：

（1）壩體材料。本次計算將壩體材料性質等效為均質材料。彈性模量E=2.3×104MPa，泊桑比μ=0.23；重度γ=23.5KN/m3；線膨脹系數6×10-6/℃。

（2）巖石基礎。基巖以砂礫巖、礫巖為主。彈性模量E=2.0 ×104MPa；泊桑比μ=0.23；重度γ=0.0KN/m3。在靜力計算時不考慮地基的自重，故天然地基的重度取0.0KN/m3。

3 主壩應力控制標準

用拱梁分載法計算時，壩體的主壓應力和主拉應力應符合以下要求：

（1）漿砌石體容許壓應力的安全系數，對于基本荷載組合，采用3.5；對于特殊荷載組合，采用3.0。（2）漿砌石拱壩計算拉應力如下控制：塊石砌體在膠結材料為80#水泥砂漿時中央懸臂梁底的控制拉應力為1.0MPa，其他部位為0.8MPa；壓應力容許值在基本荷載下為4.3MPa，在特殊荷載下為5.0MPa。當采用拱冠梁法計算時，拱和梁的法向應力應滿足上述對應的應力指標。

4 主壩應力計算

4.1 荷載工況

計算中主要考慮壩體自重、上游庫水壓力、溫度荷載三種主要荷載組合。針對拱壩的實際工作性態(tài)，本次分別計算了以下兩種工況。

工況1：水庫正常蓄水位（2021.50m）+正常溫降+壩體自重+泥沙；

工況2：水庫正常蓄水位（2021.50m）+正常溫降+壩體自重+泥沙+地震。

4.2 拱冠梁法復核壩體應力

拱冠梁法采用程序計算，程序在編寫時溫度荷載按美國墾務局經驗公式計算，僅考慮均勻溫降情況。

（1）計算成果。根據計算程序要求，壩體高度以3.3m等分為7層拱，對上述計算模型利用拱冠梁法進行計算，得出該拱壩在不同荷載工況下拱冠、拱端部位以及梁向應力。規(guī)定應力以壓為正，以拉為負。相應的計算成果見表1、表2。

（2）結果分析。拱圈：在上游面的主應力均很小，最大主應力為0.54MPa，出現在拱端最下層，表現為拉應力。下游面最大主應力為0.55MPa，出現在拱端最上層，表現為壓應力。在上游面壩高約1/4處，拱冠正應力出現了負值，由壓應力改變?yōu)槔瓚Γ掠蚊娑酁槔瓚Α９岸松嫌蚊娑啾憩F為拉應力，下游面則為壓應力。應力值均很小，在容許范圍之內。拱冠梁：上游面壩踵處均出現最大拉應力，最大值為0.84MPa，未超過規(guī)范允許值（1.0MPa），壩體拉應力滿足要求，但富裕度不大。下游面均表現為壓應力，在容許值內。

由表1、表2中看出，拱冠上游側多出現壓應力，下游側多為拉應力；拱端上游側多出現拉應力，而拱端下游側多出現壓應力。符合溫降下拱壩的變形應力規(guī)律，且應力均未超過規(guī)范允許值，壩體主應力滿足安全要求。

4.3 有限單元法復核壩體應力

為了進一步復核壩體強度與驗證拱冠梁法的計算結果，并校核大壩的抗滑穩(wěn)定，有必要對大壩及其相關部位進行三維有限元分析。

（1）壩體應力分析。經計算，拱壩結構在靜力工況荷載作用下壩體產生的拱梁拉壓應力峰值和最大、最小主應力值及其出現的位置見表3。

計算工況一結果表明：拱壩的拱向拉應力峰值位置出現在壩底靠近上游面處，峰值為0.51MPa；梁向拉應力峰值位置出現在壩底靠近上游面處，峰值為1.38MPa；最大主應力峰值位置出現在壩底靠近上游面處，峰值為1.94MPa。拱壩的拱向壓應力峰值位置出現在泄水口附近處，峰值為-1.43MPa；梁向壓應力峰值位置出現在壩底靠近下游面處，峰值為-1.77MPa；最小主應力峰值位置出現在壩底靠近上游面處，峰值為-3.27MPa。

計算工況二結果表明：拱壩的拱向拉應力峰值位置出現在壩底靠近上游面處，峰值為0.53MPa；梁向拉應力峰值位置出現在壩底靠近上游面處，峰值為1.49MPa；最大主應力峰值位置出現在壩底靠近上游面處，峰值為2.06MPa。拱壩的拱向壓應力峰值位置出現在泄水口附近處，峰值為-1.52MPa；梁向壓應力峰值位置出現在壩底靠近下游面處，峰值為-1.90MPa；最小主應力峰值位置出現在壩底靠近上游面處，峰值為-3.43MPa。

在計算工況條件下，拱壩大部分區(qū)域都處于受壓狀態(tài)，除拱端、壩底以及兩岸壩肩附近出現應力集中現象外，其他區(qū)域應力分布都比較光順。從上表可以看出：兩個工況計算出來拱壩的拉壓應力值均比較小，滿足規(guī)范要求，故結構強度滿足設計要求。

（2）拱壩等效應力計算成果與分析。按照規(guī)范要求將有限元計算得到的應力轉化為“有限元等效應力”，以消除應力集中的影響。表4給出了在兩種工況下按有限元等效應力法求出的拱壩上、下游面最大主拉應力和最大主壓應力及其出現的位置，并根據規(guī)范給出了容許應力值。

5 計算結果分析

壩體漿砌石抗壓強度為16.8MPa。根據規(guī)范，混凝土有限元等效應力的容許壓應力等于混凝土的極限抗壓強度除以安全系數，對于基本荷載組合，2級拱壩的安全系數采用4.0；對于非地震情況特殊荷載組合，2級拱壩的安全系數采用3.5。對于基本荷載組合，拉應力不得大于1.5MPa；對于非地震情況特殊荷載組合，拉應力不得大于2.0MPa。

計算結果表明，在各種靜力荷載組合工況下，拱壩的最大主拉應力和最大主壓應力都小于相應的容許值，滿足規(guī)范要求。表明現狀拱壩結構質量合格（不存在失穩(wěn)等問題）。

參考文獻

[1]陳德.加開營水庫大壩結構應力分析[J].貴州水力發(fā)電，2007，（5）：41-43.

[2]蔣伯杰，等.青溪大壩結構安全評價三維有限元計算分析[J].甘肅水利水電技術，2014（6）：18-21.

[3]趙華瑋，等.石包頭水庫大壩結構穩(wěn)定分析[J].人民黃河，2008，（9）：83-84.endprint