不同蓄水方式对堆石坝应力变形的影响分析——以冶勒水电站工程为例
2023-03-12
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第42卷第11期 2 0 1 1年6月 文章编号:1001—4179(2011)11—0035—04 人 民 长 江 Yangtze River Vo1.42.No 11 June, 2011 不同蓄水方式对堆石坝应力变形的影响分析 ——以冶勒水电站工程为例 胡升伟 ,张 权 ,龚 军 ,陈建康 (1.四川大学水利水电学院,四川成都610065; 2.黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003; 3.中 国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都610072) 摘要:水库先期蓄水和后期蓄水对大坝的应力变形有不同的影响。采用xF肯一张E—B模型对冶勒水电站堆 石坝进行三维有限元建模,结合不同坝体材料的计算参数,在先期蓄水和后期蓄水条件下,拟定两种计算方 案,对沥青混凝土堆石坝在竣工工况和正常蓄水位工况下的应力变形进行了三维有限元分析,并从应力变形 角度对其安全性进行了初步评价。通过计算分析和比较,这两种蓄水方式下大坝的应力变形均符合堆石坝的 一般分布规律,且量值在合理的范围内。 关 键 词:有限元;蓄水方式;应力变形;邓肯一张E—B模型 中图法分类号:TV641.41 文献标志码:A 冶勒水电站位于长江的支流楠亚河上游,是楠亚 下对大坝的应力变形进行深入的探究分析,并从应力 河的龙头水库,电站拦河坝为沥青混凝土心墙堆石坝, 坝顶高程2 654.50 m,最大坝高125.00 m,水库正常 蓄水位2 650.00 m,死水位2 600.00 m。由于冶勒水 电站的重要性和复杂性,对大坝的施工逐级加荷过程 变形的分析结果对大坝的安全性进行初步评价。 1.1 有限元模拟范围及网格划分 使用MIDAS/GTS岩土与隧道分析软件中的邓肯 一张E—B模型对冶勒沥青混凝土心墙堆石坝进行三 进行三维有限元模拟是很有必要的,特别是在两种蓄 水方式下,拟定出两种计算方案,根据所给计算参数, 对大坝应力变形进行计算分析和比较,从而了解大坝 的工作性态和内部结构的变化,并及时根据分析计算 成果提出合理化的意见和建议,为大坝的安全和稳定 提供强有力的理论支持。 维有限元建模。模型范围为:竖向537.6 m,坝轴向 927 m,顺河向989 m。考虑大坝受力和变形的实际情 况,采用位移约束条件。将地基底面设置为全约束,左 右岸、顺河向方向施加法向约束,坝体部分均不设约 束。考虑到模型中仪器埋设位置应与实际相同,整个 模型自由剖分,采用四面体单元,网格节点总数为 26 437个,单元总数为139 628个,其中地基和周围山 体42 254个,坝体93 734个。 邓肯一张模型属于非线性弹模型中的变模量模 型 ,它是以广义虎克定律为基础,利用土体常规三 轴试验得到的应力一应变曲线建立模型参数关系的。 该模型假定弹模E、泊松比 、体变模量K和剪切模量 G是应力状态的函数,与应力路径无关。 1.2 计算参数 本文以冶勒沥青混凝土心墙堆石坝为工程实例, 通过对坝体、坝基的设计参数和反演参数进行计算和 1 不同蓄水方式的应力应变分析条件 采用邓肯一张E—B模型借助三维有限元建模, 根据不同的蓄水方式,拟定两种计算方案,在计算参数 收稿日期:2011—02—18 调整,得出的邓肯一张模型的计算参数见表1。混凝 土为线性材料,弹性模量E=30 GPa,泊松比取0.167, 密度为24.0 kN/m ,左岸基岩为石英闪长岩,为线性 通讯作者:胡升伟,男,硕士研究生,主要从事水工结构工程及基础工程工作。E—mail:hushengwe@163.tom 36 人 民 长 江 材料,弹性模量E=19 GPa,泊松比取0.2,密度为 第l2~l9级:坝体填筑到坝顶2 654.50 nl高程; 29.3 kN/m 。 表1邓肯一张模型材料计算参数 (部位?)( 密kN・m )度 。(。)(。)kP: a , D 注: 为土体的摩擦角;c为黏聚力; 为破坏比;F、G、D为反映弹模与 泊松比的试验参数,K K、 、m为反映弹模与泊松比的试验参数。 1.3 加载程序 冶勒沥青混凝土心墙堆石坝的计算分析分两种方 案进行,两方案的计算参数相同。 1.3.1 先期蓄水 方案1在有限元计算时,认为冶勒沥青混凝土心 墙与坝体堆石同步填筑上升,荷载采用逐级施加的方 式。计算分21级加荷,对施工逐级加荷过程进行模 拟。在加荷的过程中,模拟第1次蓄水,坝体施工到 2 605.00 rn高程时,分2级蓄水到2 600.00 m高程,然 后停止蓄水,继续填筑坝体直到坝顶。坝体填筑完成 后,分2级蓄水到正常蓄水位2 650.00//1。载荷施加 的具体方法如下: 第1级:施加左岸基岩以及右岸、河床覆盖层自重 载荷; 第2—9级:坝体填筑到2 605.00 m高程; 第10~I1级:分2级施加水荷载到2 600.00 m高 程; 第20—2l级:分2级施加水荷载到正常蓄水位 2 650.O0 nl高程。 坝体填筑程序见图1。 1.3.2 后期蓄水 方案2在有限元计算时,先施工、后蓄水,不模拟 第1次蓄水,在坝体填筑到坝顶高程以后,分4级蓄水 到正常蓄水位。载荷施加的具体方法如下: 第1级:施加左岸基岩以及右岸、河床覆盖层自重 载荷; 第2~17级:坝体填筑到坝顶2 654.50 m高程; 第18~21级:分4级施加水荷载到正常蓄水位 2 650.00 m。 坝体填筑程序见图2。 2计算成果与分析 基于上述计算条件,对冶勒沥青混凝土心墙堆石 坝进行三维有限元静力计算,计算成果包括:①最大 横剖面(0+220.00 In断面)水平位移、竖直沉降、主应 力分布;②沥青混凝土心墙坝轴向水平位移、竖直沉 降、主应力分布;③心墙上游面单元中主应力与上游 水压力之比等值线。工况为竣工工况和正常蓄水位工 况。符号规定为:压应力为正,拉应力为负,单位为 MPa。位移符号规定为:沉降向上为正,顺河向水平位 移向下游为正,坝轴向水平位移向左岸为正,单位为 cm。 2.1 坝体的应力与变形分析 方案1考虑了第1次蓄水,竣工工况下坝体顺河 向水平位移在水压力作用下不对称,总体偏向下游;两 种方案在正常蓄水位工况下,由于水压力较大,顺河向 位移均不对称,总体偏向下游且增幅明显,最大增幅为 方案1。各方案顺河向水平位移最大值发生在下游坝 壳约1/3坝高处,顺河向水平位移最大值结果见表2。 对于最大横剖面,两种方案各工况下的沉降均为 80 cm左右,占最大坝高的比例均小于1%,沉降最大 值均发生在1/2坝高处,且正常蓄水位工况下的沉降 较竣工工况大,沉降最大值结果见表2。水平位置均 发生在心墙中轴线偏向上游,主要原因是堆石体I的 材料切线弹性模量参数较过渡层以及下游堆石体Ⅱ的 小,且堆石I区在坝体材料上游分区中占据大部分。 但是,方案1最大沉降发生的水平位置距心墙中轴线 的距离较方案2远,主要原因是方案1考虑了第1次 蓄水,坝体后期填筑过程中,上部和下部所受水压力不 均所致。 第11期 胡升伟,等:不同蓄水方式对堆石坝应力变形的影响分析 37 图1堆石坝坝体分级施工填筑(方案1) 上 图2堆石坝坝体分级施工填筑(方案2) 表2最大横剖面(0+220.oo m断面)位移最大值计算结果 下游堆石区和心墙下游侧的小主应力均呈增加趋势。 2.2 沥青混凝土心墙应力与变形分析 对于坝轴向水平位移,坝体向右岸位移比向左岸 位移稍大,主要原因是坝体左岸为倾斜的基岩岸坡,河 谷下部以及右岸为深厚覆盖层,坝体填筑荷载必然使 坝体本身及覆盖层有向右位移的趋势。蓄水后,两种 方案坝轴向水平位移均有小幅增加,坝轴向水平位移 最大值见表3。 表3沥青混凝土心墙轴向水平位移最大值计算结果 坝体大小主应力极值均发生在沥青混凝土心墙底 部附近。对比分析主应力等值线可知,对于最大横剖 面,方案1竣工工况的小主应力在心墙2 600.O0 m高 程以下出现应力集中,主要原因是方案1考虑第1次 蓄水,初次蓄水高程为2 600.O0 m,在此高程以下心墙 受到水压力作用,而小主应力方向近乎顺河流方向。 坝体大主应力等值线显示,沥青混凝土心墙的应力并 不比同高程处的过渡层应力有明显降低,拱效应不明 显。正常蓄水位工况下,由于水压力的作用,两种方案 从竖直沉降等值线分析可知,对于沥青混凝土心 计算的上游堆石区的大主应力均低于下游堆石区的大 墙,两种方案各工况下的沉降最大值均发生在约1/2 主应力。同时由于心墙在水压力作用下向下游变形, 坝高处,量大值在78 cm左右,占最大坝高的比例均小 上游堆石区和心墙上游侧的小主应力均呈减小趋势, 于1%,心墙沉降最大值结果见表3。从表中可以看 38 人 民 长 江 出,不考虑第1次蓄水,心墙沉降较大,主要原因是不 考虑第1次蓄水,坝体最大沉降发生的水平位置距心 墙中轴线较近。对比各方案竣工工况和正常蓄水工况 3结论 本文采用邓肯一张E—B模型,以是否考虑第1 下的沉降,可以看出,蓄水后心墙沉降有所减小,但减 次蓄水以及采用不同坝体材料计算参数为标准,拟定 在先期蓄水和后期蓄水方式下的两种计算方案,通过 计算成果的比较分析,可以得出以下结论。 小幅度不大,主要原因是蓄水后坝体最大沉降偏离心 墙中轴线向上游。 沥青混凝土心墙大小主应力最大值均发生在心墙 (1)不同蓄水方式条件下,坝体的应力和变形也 不同。顺河向水平位移总体偏向下游,且先期蓄水条 底部,且量值沿高程从坝顶向下逐渐增大。对比分析 各方案主应力等值线,对于沥青混凝土心墙,各工况 件下增幅较大;两种方案各工况下的沉降均为80 cm 下,两种方案主应力相差不大,最大小主应力为1.9 MPa左右,最小小主应力为一0.09 MPa左右,最大大 主应力为3.9 MPa左右,最小大主应力为0.O1 MPa左 右,蓄水后,心墙内大小主应力极值均有小幅增加,小 主应力拉力区有所减小。 对于冶勒沥青混凝土心墙堆石坝,由于左右岸严 重不对称,坝体及心墙有整体向右位移的趋势,从坝轴 向水平位移等值线分析出左岸向右的位移稍大,这样 容易导致左岸坝肩处出现拉应力,甚至拉裂缝。从两 种方案各工况下的小主应力等值线可以看出,左岸坝 肩出现拉应力,竣工工况下最大拉应力为一0.111 MPa,正常蓄水位工况下最大拉应力为一0.052 MPa, 拉应力区范围不大。如果按照c/tan ̄p:0.2/tan20”= 0.39 MPa作为沥青混凝土的抗拉强度,心墙不会开 裂。 2.3 沥青混凝土心墙抗水力劈裂能力分析 对冶勒沥青混凝土心墙堆石坝,本文采用心墙上 游面水压力大于同高程心墙上游面单元心墙中主应力 作为判别发生水力劈裂的标准。图3分别给出了两种 方案正常蓄水位工况下沥青混凝土心墙上游面单元中 主应力与上游水压力之比等值线。可以看出,两种方 案的该比值均大于1.0,说明这两种方案的心墙均能 承受高水压的作用,不会发生水力劈裂现象。 (b)方案2 图3心墙上游水压力与心墙中主应力之比等值线 左右,占最大坝高的比例均小于1%,且正常蓄水位工 况下的沉降较竣工工况大;坝体的大小主应力最大值 均发生在沥青混凝土心墙底部附近,其中在先期蓄水 的竣工工况下,小主应力在高程2 600 m以下会出现 应力集中。 (2)不同蓄水方式对沥青混凝土心墙应力变形的 影响显著。蓄水后,两种方案坝轴向水平位移均有小 幅增加;通过对竖直等值线分析,两种方案在各工况下 的沉降最大值均发生在约1/2坝高处,量值在78 cm 左右,占最大坝高的比例均小于1%,后期蓄水时,心 墙沉降较大;沥青混凝土心墙大小主应力极值均发生 在心墙底部,且量值沿高程从坝顶向下逐渐增大,通过 计算比较分析,心墙不会开裂。从计算结果看,坝体与 心墙存在沉降差,但其差值在合理的范围内,不会发生 断裂现象。 (3)不同蓄水方式下,采用心墙上游面水压力大 于同高程心墙上游面单元主应力作为发生水力劈裂的 判别标准,计算结果表明,该沥青混凝土心墙堆石坝不 会发生水力劈裂现象。 参考文献: [1]Duncan J M,Chang c Y.Nonlinear analysis of stress and strain in soils,J.S.M.F.D.ASCE,1970,96(SM5). 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(编辑:常汉生) Assessment on water quality of Wujiang River by percent model afinifty CHI Shiyun,HU Juxiang,ZHAO Xianfu,MA Peiming,LI Ming (1nsititute of Hydroecology,Ministry of Water Resources and Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430079,China) Abstract: In order to aSSeSS the water quality by aquatic organisms,14 sampling sections are arranged in the main stem and branches of Wujiang River,and based on the sampled data,the water quality in the downstream of Wujiang River during the hy- dropower construction period is assessed with Percent Model Affinity(PMA)established by Novak,etc.The assessed results are compared with those by species abundance,EPT%and correlative index of species diversity.The results show that for the bran— ehes,except the Yujiang River is moderate,the water quality of other sections is in a good state;the water quality of the main- s ̄eam is moderate except that the water quality of Pengshui and Hongdu stations is good.Overall,the water quality of tributaries is better than that of the mainstream.It is revealed that organic pollution is not the main pollution source,whose reason may be the hydropower construction and frequent shipping activities.The analysis shows that the index of PMA has signiicantfly correla- lion with species abundance,EPT%and correlative index of species diversity. Key words:Percent Model Affinity;zoobenthos;species diversity index;water quality;Wujiang River ,…,…,一 ,…, o●】H^l (上接第38页) Analysis on influence of stress—-deformation of asphalt concrete core rockfill dam with diferent impoundment ways:case of Yele Hydropower Station HU Shengwei ,ZHANG Quan ,GONG Jun ,CHEN Jiankang (1.College f oWater Resource and Hydropower,Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.Yellow River Engineering Con— sulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,China;3.Hydrochina Chengdu Engineering Corporation,Chengdu 610072,China) Abstract: Early and late impoundment ways have different effects on stress—deformation of reservoir dam.By adopting Dun- can—Chang E—B model,we established 3 D finite element model for asphalt concrete core roekfill dam in Yele Hydropower Sta・ tion.Combining calculation parameters of different materials of dam,we worked out two numerical procedures under the eondi— tions of early and late water storage ways.Furthermore,we carried out 3 D finite element analysis on stress—deformation of the asphalt concrete core rockfill dam in completion under the conditions of normal water storage level,and preliminarily evaluated its safety from the perspective of stress—deformation.The results show that through the analysis and comparison,stress—deforma- tion of dam under the two water impoundment ways are in accordance with the general distribution of rockfill dam,and the values are within a reasonable scope. Key words: finite element;impoundment ways;stress—deformation;Duncan—Chang E—B model