黄河海勃湾水利枢纽土石坝混凝土防渗墙应力及变形分析

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1、黄河海勃湾水利枢纽土石坝混凝土防渗墙应力及变形分析黄河海勃湾水利枢纽土石坝混凝土防渗墙应力及变形分析阮建飞王景涛t陈海峰z(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222;2.天津市宁车沽闸管理所天津300453)摘要黄河海勃湾水利枢纽工程位于内蒙古自治区乌海市境内的黄河干流上,是综合防凌,发电等多项利用的水利枢纽.本文运用平面有限元方法,针对该枢纽土石坝,对不同厚度,不同弹性模量的混凝土防渗墙进行了应力及变形分析,计算结果为土石坝的安全设计提供了参考.关键词防渗墙;有限元;应力及变形;弹性模量中图分类号:"1-V543+.82文献标识码:B黄河海勃湾

2、水利枢纽工程位于内蒙古自治区乌海市境内的黄河干流上,坝址上距石嘴山水文站50km,下游87km处为已建的内蒙古三盛公水利枢纽.坝址距乌海市3km,距自治区首府呼和浩特市约550km.海勃湾水利枢纽是一项具有防凌,发电等综合效益的水利枢纽工程,工程为Ⅱ等工程,工程规模为大(2)型.枢纽主要由土石坝,泄洪闸,河床式电站等建筑物组成,坝顶高程1078.7m,水库正常蓄水位1076.0m,水库总库容4.87亿m,电站装机四台,总装机容量90MW.其中土石坝段总长3550.3m,最大坝高18.2m,防渗采用"粘土心墙+悬挂式混凝土防渗墙"形式,防渗墙最大深度40m,顶

3、端嵌入粘土心墙2m.本文通过对土石坝坝基防渗墙的平面应力及变形分析,从而为合理选择混凝土防渗墙的形式及设计参数…提供必要的依据.1基本资料(1)计算选用完建,正常蓄水位及"正常蓄水位+地震"三种工况.正常蓄水位1076.0m,相应下游水位1065.0m.(2)土石坝属2级建筑物,工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为O.228g,相应地震基本烈度为8度,反映谱特征周期为0.40s.工程抗震设计烈度为8度.(3)结构计算分别采用40em,60cm厚混凝土防渗墙,墙体材料按塑性混凝土和普通混凝土分别考虑,塑性混凝土弹性模量采用1000MPa和1500MP

4、a,普通混凝土弹性模量采用17500MPa.泊松比0.167,容重24.0kN/m.(4)防渗墙与土体间摩擦系数采用0.15(考虑泥皮作用).(5)不考虑初期施工引起的土体初始位移场和应力场,但考虑自重产生的附加应力.(6)计算时忽略坝体的块石护坡,反滤及垫层,各土层之间采用理想化的平面接触方式.坝体及坝基土体参数见表1(粘土泊松比采用0-3,砂性土泊松比采用O.25),计算典型断面见图1.表12有限元计算2.1计算原理本计算采用((ANSYS结构分析系统》(采用二维平面实体单元,接触单元),对坝体结构,土体结构计算模型进行二维有限元[21弹塑性应力分析计算

5、.根据地质提供的参数,在进行弹塑性有限元分析中,土体采用理想弹塑性本构特性,防渗墙采用线弹性模型.非线性应力屈服准则选用德鲁克一普坝体及坝基土体参数表天然饱和有效应力指标渗透压缩层厚材料名称容重容重粘聚力(kl,a)擦角系数模量Es(In)(kN/m)(1iN/m3)(cm/s)(MPa)内摩(.)坝体沙砾料21.522.50351×1O30心墙粘土料19.720.615247×1O.614坝基粉砂190284×10-31l2坝基砂砾石23.50352×1042410坝基细砂20.4O294×101460图1计算典型断面拉格(Drucker-Prager)准

6、则,相应计算公式如下:oLf『+_J2=K式中,:3,/3+snK:兰:,/而Il:orl+or2+or3J2=1/6f(l一盯2)2+(盯2一盯3)2+(cr3一盯f)2)德鲁克一普拉格屈服准则近似莫尔一库仑准则,对米赛斯准则进行了修正,其优点是考虑了的作用.德鲁克一普拉格屈服准则适用于岩石和土壤等颗粒状材料.2.2边界条件及荷载计算的边界条件:自坝体建基面以下沿深度方向取72m(见表1);向上游(人渗点以上)及下游至少取1.5倍坝高.坝基底边界为不透水边界,即在坝基72m深度处不考虑垂直方向的水流交换.坝体及坝基上,下游为水力边界,水头大小与上,游水位一

7、致;其余部分为自由渗流表面.计算边界约束为:地基上游,下游和底部均加法向约束.基本荷载主要有自重,上,下游水压力,渗透压力,地震动力作用.各个荷载均按照《水工建筑物荷载设计规范进行》(DI3077—1997)规定取用.地震荷载同时计入水平向和竖向的作用,水平向地震加速度代表值取O.228g,竖向地震加速度代表值取0.152g,总的地震作用效应采用将竖向地震作用效应乘以0.5的耦合系数后与水平向地震作用效应直接叠加.坝址属于Ⅲ类场地,地震设计反映谱按《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073—2000)确定.2.3计算模型假定模型顺水流方向为x正方向,铅垂向上为

8、Y正方向.大坝和地基按统一整体建模,建基面处坝体和土