上溝水利樞紐擋水壩抗滑穩定分析

魏雪斐, 涂興懷, 付成華, 王紀海

(西華大學能源與環境學院,四川成都 610039)

上溝水利樞紐擋水壩抗滑穩定分析

魏雪斐, 涂興懷, 付成華, 王紀海

(西華大學能源與環境學院,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、揚壓力、泥沙壓力的影響,得出壩體的位移圖和應力圖,繼而計算出壩體的抗滑穩定安全系數。分析結果表明,該混凝土重力壩能夠滿足正常工況和特殊組合下的穩定性要求。

上溝水利樞紐;ANSYS;穩定分析

1 概 述

上溝水利樞紐位于吉林省敦化市牡丹江上游。其擋水壩抗滑穩定分析的目的是核算壩基面或沿地基深層軟弱結構面抗滑穩定的安全度。應力分析的目的是為了檢驗大壩在施工期和運行期是否滿足強度要求,同時也是為研究解決設計和施工中的某些問題提供依據。重力壩應力分析的方法有多種,如材料力學法、彈性理論的差分法、解析法、有限元法等,應用較廣泛的是材料力學法和有限元法。筆者應用ANSYS軟件模擬了上溝水利樞紐擋水壩的兩種工況,對得出的結果進行了分析,以檢驗壩體是否能滿足抗滑穩定要求。

2 本次建模使用的一般參數

大壩:彈性模量E=2.85×104MPa,泊松比ν =0.167,密度2 400 kg/m3,張開剪切傳遞系數0.3,抗拉強度ft=1.96 MPa,抗壓強度fc=22 MPa。

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

此次計算的基本假定:

(1)壩體和壩基連續;

(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方向約束,地基底部施加三個方向的約束。

(2)主要面荷載:上、下游靜水壓力;泥沙壓力;揚壓力。

荷載施加分基本組合和特殊組合兩種工況,其數據見表1。

表1 工況參數表/m

4 應力計算

4.1 基本組合加載及計算情況(圖1、2,表2)

圖1 基本組合第一主應力圖

圖2 基本組合第三主應力圖

基本組合位移圖見圖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 基本組合結果分析表

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

4.2 特殊組合加載及運算情況(圖6、7,表3)

圖6 特殊組合第一主應力圖

圖7 特殊組合第三主應力圖

表3 特殊組合結果分析表

特殊組合位移見圖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,擋水壩段壩踵拉應力區深度為1.2 m,小于壩底寬度的7%(2.8 m),故壩體所受應力滿足規范要求。該工況下壩體的抗滑穩定安全系數為3.4,大于規范要求的1.05,故壩體滿足抗滑穩定要求并具有一定的安全儲備。

5 結 語

筆者運用有限元法對上溝水利樞紐擋水壩進行了抗滑穩定分析,由圖表中的數據可以看出,擋水壩在基本組合、特殊組合作用下應力、變形和位移值均在規范規定值以內,能夠滿足設計、施工要求。由于上溝水利樞紐工程壩基處的工程地質條件比較復雜,而模型中所采用的地基材料和壩體材料均進行了均一化處理,這就意味著理論上提高了壩體的安全系數,因此,建議在施工過程中一定要重視和強化對地基的處理工作,并加強對壩體施工的質量控制,使之滿足設計要求。

[1] 天津大學.水工建筑物[M].北京:中國水利電力出版社, 1997.

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

[3] 混凝土重力壩設計規范,ADJ 21-84[S].

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

[5] 張昌齡,主編.水工設計手冊(5),混凝土重力壩[M].北京:中國水利電力出版社,1987.

(責任編輯: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:水工結構分析及優化技術;

涂興懷(1964-),男,四川閬中人,副教授,碩士生導師,碩士,從事水工結構教學與科研工作;

付成華(1978-),女,湖北襄樊人,副教授,博士,從事水工結構教學與科研工作;

王紀海(1966-),男,吉林九臺人,副教授,碩士,從事水工結構教學與科研工作.