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      深厚覆蓋層面板堆石壩應(yīng)力變形有限元分析

      2019-08-08 09:24:20陳文元
      水利技術(shù)監(jiān)督 2019年4期
      關(guān)鍵詞:主應(yīng)力壩體大壩

      陳文元

      (青海省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,青海 西寧 810000)

      1 概述

      混凝土面板堆石壩(Concrete Face Rock-fill Dam)最初發(fā)源于美國(guó),至今有100多年歷史[1]。由于其適于修建在山谷、對(duì)環(huán)境的適用性較強(qiáng)、可以就地取材、施工速度也比較快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

      在實(shí)際運(yùn)行中壩體和面板的安全運(yùn)行問題一直是研究的重點(diǎn)[2],在高寒高海地區(qū)體現(xiàn)的尤為明顯。我們國(guó)家對(duì)面板堆石壩的研究起步較晚,但是進(jìn)步特別快[3- 4]。在實(shí)際運(yùn)行中,大壩的安全和穩(wěn)定受眾多因素影響,不同的學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究[5]。不同地勢(shì)的壓力不同,對(duì)壩體和面板產(chǎn)生的影響也會(huì)不同,同樣覆蓋層對(duì)于大壩的面板和壩體也會(huì)有一定的影響[6]。溫度也是大壩一個(gè)很重要的影響因素[7- 8],高寒地區(qū)的溫度變化對(duì)大壩的安全運(yùn)行影響很大。

      本文主要針對(duì)高寒高海拔地區(qū),采用ANSYS對(duì)深覆蓋層面板堆石壩在正常蓄水運(yùn)行期內(nèi)的不同部位的應(yīng)力變形特性進(jìn)行研究。

      2 模型建立

      以某高寒高海拔地區(qū)的水庫為工程背景進(jìn)行研究。水庫主要建筑物由擋水大壩、導(dǎo)流洞、泄洪洞、放水洞等組成。壩頂高程為2941.62m,正常蓄水位為2938.98m,總庫容為1.1×107m3,壩趾兩側(cè)呈現(xiàn)“V”字形。正常蓄水期是壩體承受的荷載主要為自重和水壓力。

      在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行本構(gòu)模型的選擇,目前常見比較可靠的模型有Duncan Chang的雙曲線模型及E-B模型、非線性耦合K-G模型、以及改進(jìn)的Naylor K-G模型等,本文碎石采用Duncan Chang的E-B模型?;炷撩姘宀捎帽容^成熟的線彈性模型[9- 10]。對(duì)于壩體面板和上面的碎石之間的接觸面采用抗剪薄面,采用雙曲線模型。

      ANSYS作為廣泛使用的有限元軟件,可以很好的滿足我們的需求。荷載在計(jì)算過程中采用逐級(jí)施加的原則。坐標(biāo)系采用常見的笛卡爾坐標(biāo)系,順?biāo)飨驗(yàn)閄方向;垂直方面方位Y方向;順著壩軸線方向?yàn)閆方向。壩體的不同區(qū)域材料不同進(jìn)行對(duì)應(yīng)的設(shè)置,具體參數(shù)見表1。水容重大小是按照9.81kN/m3來設(shè)置,混凝土自重為25kN/m3。

      在接觸面采用面-面分析,使用Conta174單元,對(duì)于混凝土采用Solids 64單元,采用SWEEP掃略法以面板為初始斷面進(jìn)行劃分,模型總體單元數(shù)為32656個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為33692個(gè)。為方便計(jì)算選取基巖高度為一倍的壩高。在計(jì)算之前進(jìn)行邊界條件的

      表1 材料參數(shù)

      設(shè)置,在基巖底部設(shè)置為全約束,壩體與兩岸的接觸部位設(shè)置水平方向的約束,在豎直方向不對(duì)設(shè)置,這樣更符合實(shí)際運(yùn)行。大壩有限元模型如圖1所示。為了更細(xì)致的研究壩體的應(yīng)力變形,對(duì)壩體進(jìn)行剖分選取典型斷面如圖2所示,典型斷面橫剖面圖如圖3所示。

      圖1 大壩有限元模型

      圖2 大壩典型斷面位置圖

      圖3 典型斷面橫剖面圖

      3 應(yīng)力變形分析

      3.1 壩體應(yīng)力分析

      對(duì)正常蓄水期壩體不同位置典型斷面的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力進(jìn)行分析,如圖4—5所示。

      從圖4可知,拉應(yīng)力主要分布在壩體上側(cè),隨著高程的降低逐漸變化為壓應(yīng)力,且壓應(yīng)力逐漸增大。第一主應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在上游壩體與覆蓋層接觸的壩頂附近。在壩體不同剖面上第一主應(yīng)力分布基本相似,但是第一主應(yīng)力最大值存在區(qū)別,F(xiàn)1、F2、F3三個(gè)剖面的最大拉應(yīng)力分別為0.024、0.023、0.019MPa,最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在上游壩趾附近。三個(gè)剖面的最大壓應(yīng)力分別為2.21、2.14、1.67MPa,均出現(xiàn)在壩體與基巖基礎(chǔ)的中間位置處。

      從圖5可知,第三主應(yīng)力的應(yīng)力分布與第一主應(yīng)力分布類似,隨著高程降低拉應(yīng)力逐漸減小,壓應(yīng)力逐漸增大。最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)出現(xiàn)在位置與第一主應(yīng)力相同。最大壓應(yīng)力分別為3.68、3.59、2.92MPa。第三主應(yīng)力總體呈現(xiàn)對(duì)稱分布,稍微偏向上游。

      圖4 壩體典型斷面第一主應(yīng)力

      圖5 壩體典型斷面第三主應(yīng)力

      圖6 壩體典型斷面縱向位移

      圖7 壩體典型斷面垂向位移

      3.2 壩體位移分析

      壩體縱向位移和垂向位移計(jì)算云圖分別如圖6—7所示。

      由圖6可知,壩體縱向位移整體上由壩中心位置向兩側(cè)大致對(duì)稱分布,下游位移大小為正值,向下游移動(dòng);上游壩體位移為正值,向上游移動(dòng)。F1、F2、F3三個(gè)剖面上游的最大縱向位移分別為11.6、11.3、8.7cm,出現(xiàn)位置為上游壩踵與基巖交接處正下方35m附近位置處;下游最大縱向位移分別為14.2、13.7、9.7cm,出現(xiàn)在下游壩趾與基巖交接處靠上游30m位置處附近。

      由圖7可知,壩體的垂向位移整體是垂直向下移動(dòng)。壩體最大位移出現(xiàn)在壩體與覆蓋層交接處,F(xiàn)1、F2、F3三個(gè)剖面的最大垂向位移分別為:66.1、64.5、48cm。說明最大位移出現(xiàn)在壩體中間位置。

      3.3 面板應(yīng)力分析

      面板應(yīng)力變化云圖如圖8所示,位移變化云圖如圖9所示。

      圖8 面板應(yīng)力分布云圖

      由圖8(a)可知,混凝土面板應(yīng)力分布主要為壓應(yīng)力,拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在壩頂和岸坡附近。較大壓應(yīng)力出現(xiàn)在底部,且均在混凝土受壓強(qiáng)度范圍內(nèi)。拉應(yīng)力最大值為1.84MPa,也在承受范圍內(nèi)。根據(jù)圖8(b)可知,面板呈現(xiàn)雙向受壓、局部受拉狀態(tài)。最大壓應(yīng)力為14.9MPa,拉應(yīng)力在混凝土的承受范圍之內(nèi)。

      圖9 面板位移分布云圖

      由圖9可知,在正常蓄水運(yùn)行時(shí),面板縱向位移最大值出現(xiàn)在面板中間位置,出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。中間向下游移動(dòng),移動(dòng)位移大小為7.8cm,上下兩側(cè)向上游移動(dòng),移動(dòng)位移大小為1.0cm。在垂向上,面板整體垂直向下,最大位移出現(xiàn)在面板中間位置,大小為17.5cm。

      4 結(jié)論

      (1)壩體各部分整體應(yīng)力分布趨勢(shì)一致。由壩體中間位置向兩側(cè)最大拉應(yīng)力逐漸減小,減小幅度為2.5%、20%。最大壓應(yīng)力向兩側(cè)同樣逐漸減小,減小幅度為2.4%、20.7%。

      (2)壩體在上游側(cè)壩趾附近向上游移動(dòng),最大位移出現(xiàn)在壩趾正下方35m處;下游側(cè)向下游移動(dòng),最大位移出現(xiàn)在壩趾靠上30m位置附近。在垂向上最大位移出現(xiàn)在壩體與堆石交接處。

      (3)混凝土面板面板整體呈現(xiàn)受壓狀態(tài),最大拉應(yīng)力為1.8MPa,滿足抗拉強(qiáng)度需求。面板最大位移出現(xiàn)在面板中心位置附近,容易出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

      綜合考慮,建議在高寒高海拔地區(qū)加強(qiáng)對(duì)面板中心位置的檢測(cè)和維護(hù)。

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