甘肃西流水面板堆石坝应力变形分析研究

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1、第卷第期中国水利水电科学研究院学报年月文章编号甘肃西流水面板堆石坝应力变形分析研究董红健余春海徐泽平邵宇甘肃省九甸峡水利枢纽有限责任公司甘肃兰州新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院新疆乌鲁木齐中国水利水电科学研究院岩土工程研究所北京摘要采用非线性有限元分析方法对甘肃省龙首二级西流水水电站面板堆石坝的应力变形特性进行了分析给出了坝体及面板在施工期和蓄水期的应力和位移分布并分析了高趾墙的应力变形特性计算结果表明由于西流水面板堆石坝位于狭窄河谷坝体的变形受岸坡约束影响较大面板在蓄水期沿坝轴线方向和坝坡方向呈双向受压状态高趾墙大部分区域承受拉应力但拉应力数值不大本文的计算分析结果除可以为西流水工程

2、的设计施工提供依据外对其它类似工程也具有一定的参考价值关键词面板堆石坝应力变形高趾墙西流水中图分类号文献标识码工程概况龙首二级西流水水电站地处甘肃省肃南裕固族自治县境内距张掖市西南郊约是黑河水能规划的第七座梯级电站工程装机容量最大坝高水库库容万水电站枢纽由拦河大坝泄水建筑物溢洪道排沙洞引水发电隧洞及发电厂房等建筑物组成坝址区河道弯曲呈型河谷两岸地形陡峻右岸山梁称为天生坝向左岸方向突出约在枢纽布置上利用天生坝布置溢洪道排砂洞导流洞等建筑物在峡谷段布置混凝土面板堆石坝河谷转弯处设置高趾墙坝址处河段河谷狭窄为典型的型河谷左岸坡陡立坝顶高程河谷宽深比为坝址右岸有零星坡积碎石土层覆盖厚度多小于河床有厚

3、的砂卵砾石结构松散构成坝肩的主要岩石为辉绿岩和花岗岩以辉绿岩分布较广两岸呈渐变过渡坝体堆石料取自八道沟口右侧山梁八道沟与黑河交汇处山梁和距七道沟坝址下游约的右岸山体料场高程在以上岩性均为加里东期辉绿岩新鲜岩石完整坚硬耐风化比重密度?饱和吸水率单轴饱和抗压强度弹性模量泊松比计算方法为全面了解坝体和面板在施工期和运行期的应力变形情况利用数值计算方法对坝体进行了三维非线性有限元计算分析三维计算中将坝体面板趾板和河床部分的高趾墙作为一个整体进行计算分析考虑了坝体的实际施工顺序一期坝体填筑至高程然后浇注一期面板二期坝体填筑至高程然后浇注二期面板三期坝体填筑到顶后浇筑三期面板坝体堆石的材料参数取自中国水

4、利水电科学研究院岩土工程研究所土工试验结果考虑到坝体次堆石区与主堆石区材料性质相同仅碾压标准降低因此次堆石的材料参数按主堆石参数降低选取收稿日期作者简介董红健男吉林东风人高级工程师主要从事混凝土面板堆石坝设计与施工甘肃西流水面板堆石坝应力变形分析研究董红健余春海徐泽平邵宇分析方法在三维计算分析中沿坝轴线将整个坝体分成个横断面各横断面的位置与面板的垂直缝一致沿坝体高度分为个填筑层每层平均厚度为左右混凝土面板作为单独的填筑层施加整个坝体共分个单元个节点面板之间的纵缝采用分离缝的方法处理面板与趾板间的周边缝采用软单元模拟计算采用非线性增量分析方法坝体的填筑荷载共分为级面板分期浇筑蓄水荷载共分为级在

5、每一增量步中采用两步迭代分析三维计算所采用的分析程序为中国水利水电科学研究院岩土工程研究所开发的程序程序中采用邓肯张非线性弹性应力应变模型有限元网格采用六面体八节点等参单元为了能较好地反映面板坝蓄水时所产生的应力状态的变化在计算程序中考虑了卸荷判断和处理当大坝蓄水时由于水压力的作用将引起上游坝体单元应力的偏转当偏应力减小应力水平下降时单元的模量将采用卸荷弹性模量计算模型与参数堆石料的应力应变关系采用双曲线模拟邓肯模型其弹性模量和体积模量的相应计算公式如下切线弹性模量切线体积模量卸荷时采用卸荷弹性模量其计算公式为式中和为最大和最小主应力为大气压力为强度指标为破坏比为弹性模量为弹性模量指数为体积

6、模量数为体积模量指数为卸荷弹性模量计算参数根据目前的坝体断面设计坝体的材料分区为垫层过渡区主堆石区和次堆石区计算所采用的参数如表所示表坝体材料的计算参数????垫层过渡区主堆石区计算成果坝体的应力与变形三维计算分析得出的坝体河床断面在最终蓄水位情况下的位移和应力分布分别如图图所示图中坝体水平位移以向上游为正垂直位移以向上为正坝体应力以压应力为正从图图可以看出坝体的最大垂直位移为约占坝高的指向上游和下游方向的坝体水平位移最大值分别为和从坝体各断面的位移分布上看坝体最大垂直位移位于坝体的中下部在水荷载的作用下坝体的水平位移大部分偏向下游侧由于受水压力和坝体沉降的共同作用河床段的坝体有向内凹陷的变

7、形趋势同时由于右岸山梁天生坝地形的顶托相对而言右岸的位移略小在水库蓄水的情况下整个坝体呈偏向下游的总体位移态势坝轴线也在水荷载作用下呈弧线变形从图图可以看出坝体的应力基本上是按坝高分布坝体底部的应力最大但由于受三维地甘肃西流水面板堆石坝应力变形分析研究董红健余春海徐泽平邵宇图剖面水平位移单位图剖面垂直位移单位图剖面大主应力单位图剖面小主应力单位形的影响坝体底部局部区域应力分布出现一定的波动水库蓄水后由于水荷载