青龍水電站拱壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力研究

楊彬

摘要：拱壩是復(fù)雜的空間殼體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力非常復(fù)雜，深入分析其應(yīng)力應(yīng)變性能，對拱壩體形優(yōu)化設(shè)計和安全評價有重要意義。結(jié)合湖北省青龍水電站拱壩工程，采用拱梁分載法及有限單元法對該拱壩進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，為進(jìn)一步的體形優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土拱壩；“U”型窄河谷；拱梁分載法；有限單元法；等效應(yīng)力

中圖分類號：TV642.4+6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）11-0049-05

不同體型的拱壩所處的地質(zhì)和地形條件不同，壩址的氣象條件和氣溫水溫也不同，造成壩體應(yīng)力差異。結(jié)合湖北省青龍水電站拱壩實際工程，根據(jù)已掌握的青龍拱壩的地質(zhì)地形條件、壩址氣溫水溫資料、特征水位及部分計算參數(shù)，采用拱梁分載法和有限元法對青龍拱壩壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，尋找典型碾壓混凝土U型拱壩上下游面應(yīng)力及位移分布規(guī)律，并采用有限元等效應(yīng)力法對壩體和壩基（壩肩）接觸部位應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核，為大壩安全評價及進(jìn)一步的體形優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 青龍拱壩基本資料

1.1 工程概況

青龍水電站位于湖北省恩施市青江一級支流馬尾溝。工程樞紐由碾壓混凝土雙曲拱壩、發(fā)電引水系統(tǒng)、調(diào)壓井、岸邊地面式廠房等建筑物組成。碾壓混凝土雙曲拱壩壩頂高程737.7 m，河床壩底高程607.0 m，最大壩高130.7 m；在壩頂設(shè)3孔表孔，堰頂溢流泄洪，堰頂高程727.0 m。采用自由跌流、二道壩水墊塘消能方式。二道壩采用混凝土重力壩，位于雙曲拱壩下游85 m處，壩頂高程624 m，壩底高程609 m，壩高15 m，壩頂寬3 m，壩底寬15 m。壩址處河谷狹窄，河床寬35 m左右，拱壩735.00 m，高程處谷寬92 m，兩側(cè)山體陡峻，呈“U”型。

1.2 計算工況

根據(jù)規(guī)范要求的計算工況及比較相關(guān)工程的實際計算，選取以下2種工況的荷載組合對青龍拱壩進(jìn)行靜力計算。

1） 基本組合：自重+水庫正常蓄水位及相應(yīng)尾水位下的靜水壓力+設(shè)計正常溫降的溫度荷載+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力，以下簡稱工況1。

2） 特殊組合：自重+水庫校核洪水位及相應(yīng)尾水位下的靜水壓力+設(shè)計正常溫升的溫度荷載+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+動水壓力，以下簡稱工況2。

1.3 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

壩體應(yīng)力控制指標(biāo)和等效應(yīng)力控制指標(biāo)分別見表1和表2。

2 拱梁分載法計算壩體應(yīng)力

2.1 拱壩網(wǎng)格劃分

本次拱梁分載法拱壩網(wǎng)格劃分的高程從堰頂高程開始取，按程序要求及實際情況將拱壩劃分成“七拱十三梁”，各拱圈高程分別為727.0 m，708.0 m，692.0 m，674.0 m，658.0 m，640.0 m，624.0 m。

2.2 荷載計算

本次計算考慮到的荷載主要包括壩體自重、水平水壓力、垂直水壓力。

2.3 應(yīng)力計算結(jié)果

應(yīng)用拱梁分載法ACM程序得到拱壩在不同高程拱圈的粱向和拱向應(yīng)力分布規(guī)律，如表3—4所示，其中壓為+、拉為-。

3 有限單元法計算壩體應(yīng)力

3.1 計算模型

有限元計算模型的范圍為：上游方向取2.0倍左右壩高，左、右岸壩肩各取1.0倍壩高，下游方向取1.5倍左右壩高，壩基底取1.5倍左右壩高。本次采用8節(jié)點(diǎn)6面體等參單元對壩體及基礎(chǔ)進(jìn)行有限元離散，將壩體模型共劃分為81 082個單元、89 906個結(jié)點(diǎn)。

3.2 荷載計算

本次計算考慮到的荷載主要包括壩體自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、泥沙壓力和溫度荷載。

3.3 體上下游面應(yīng)力分析成果

壩體上下游面應(yīng)力分析結(jié)果見表5—6。

4 上下游壩面有限元與拱梁分載法應(yīng)力比較

2種工況上下游壩面有限元與拱梁分載法應(yīng)力結(jié)果比見表7—8，其中+為壓，-為拉。

比較有限元等效應(yīng)力和拱梁分載法計算的壩體內(nèi)力，2者相差不超過20%，表明2種方法計算的應(yīng)力基本準(zhǔn)確。

5 青龍水電站拱壩的靜力分析

分別以拱梁分載法ACM程序和有限單元軟件ANSYS作為計算工具，根據(jù)規(guī)范和相關(guān)文獻(xiàn)選取典型荷載組合工況對青龍拱壩進(jìn)行靜力分析及靜力有限元等效應(yīng)力計算，初步得到拱壩壩體在典型荷載組合工況下的應(yīng)力和位移分布規(guī)律。

通過靜力分析可初步得知，狹窄“U”型河谷拱壩的應(yīng)力和變形特點(diǎn)為：在拱壩下游壩面中下部會出現(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力，該區(qū)域中心拉應(yīng)力值最大，對壩體應(yīng)力不利，這是在一般高陡邊坡拱壩應(yīng)力分布規(guī)律中不曾有的，亦是此類拱壩設(shè)計需要特別注意的問題。綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，此拉應(yīng)力主要由橫河向應(yīng)力引起。狹窄河谷制約拱壩中下部拱圈的平面布置，造成中下部拱圈曲率很小，拱的作用被削弱，不能有效將外荷載轉(zhuǎn)化為推力傳遞到兩岸山體，拱圈很平，受力特點(diǎn)更像兩端固定的梁，造成下游壩面受拉。在拱壩中下部巨大荷載的作用下，壩體中下部形成往下游的凹陷區(qū)，在其中心位移值最大，壩頂中部位移相對較小。結(jié)合應(yīng)力分析可以推測，拱壩下部拱圈作用的削弱，造成這種特殊的壩體變形，從而引起下游壩面中下部范圍的拉應(yīng)力。

6 結(jié)論

拱壩是復(fù)雜的高次超靜定結(jié)構(gòu)，其整體穩(wěn)定與地形、地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)，且拱壩是一個三維薄殼結(jié)構(gòu)，存在著應(yīng)力的調(diào)整和重分配。因此，對類似于青龍水電站的高拱壩進(jìn)行壩體穩(wěn)定分析是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，無論物理模型還是數(shù)學(xué)模型研究都有一定程度的簡化。高碾壓混凝土拱壩的研究工作需要不斷完善和充實。

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Abstract： Arch dam is a kind of complex space shell structure， and the structural stress is so complex that it has important significance for deep analysis on stress –strain performance and optimization design and safety evaluation of arch dam shape. This thesis， which was combined with Qinglong arch dam project in Hubei province， the structural stress of the dam was analyzed using arch-cantilever trial load method and finite element method， providing reference for further shape optimization design.

Key words：RCC arch dam； U-shaped narrow valley； arch-cantilever trial load method； finite element method； equivalent stress