混凝土重力坝三维数值模拟及优化设计.pdf

第 3 4卷第 8期 2 0 1 2年 8月 人民黄河 YELLOW RI VER Vo 1 3 4 No 8 Au g ， 2 01 2 【 水利水电工 程 】 混凝土重力坝三维数值模拟及优化设计 李林科 ， 张爱军 ( 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0 ) 摘要 ： 随着重力坝在工程 中的广泛应用及 新建重力坝坝高不断增加 ， 其局部坝段 的工作状况对大坝的整体运行影响也 越来越大， 因此选择适合工程实际的重力坝坝型显得尤为重要。通过抗剪断稳定计算和三维数值分析相结合的方法， 分 析 了某重力坝的安全稳定性。计算结果表明， 该坝坝肩段出现拉应力， 以此对原设计方案进行优化设计 ， 优化后新坝型 坝肩段无拉应力出现。原方案与优化方案的对比分析表明： 类似工程中， 重力坝坝肩段设计应采用坝肩段与主坝段有一 定角度或类似于拱坝的形式布设 ， 以减小坝肩拉应力； 在同类重力坝安全稳定分析时， 可采用抗剪断稳定计算与三维数 值模拟相结合的方法； 在二维计算满足规范要求时， 三维数值模拟可采用弹性材料计算。 关键词 ：重力坝 ；优化设计 ；抗滑稳定 ；数值模拟 中图分类号 ：T V 6 4 2 3 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 2 0 8 0 4 3 3 D N u me r i c a l S i m u l a t i o n a n d O p t i m i z a t i o n o f C o n c r e t e G r a v i t y D a m L I L i n k e ， Z H A N G A i - j u n ( C o l l e g e o fWa te r R e s o u r c e s a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g， No a h w e s t A & F U n i v e r s i t y ，Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Wi t h wi d e o r r a n g e a p p l i c a t i o n o f c o n c r e t e g r a v i t y d a m a n d t h e i n c r e a s i n g o f i t s h e i g h t ，t h e i mp a c t o f wo r k i n g c o n d i t i o n s i n p a r t o f d a m o n t h e wh o l e d am o p e r a t i o n s y s t e m i s g r o w i n g T h u s ，gra v i t y d a m o p t i mi z a t i o n d e s i g n wh i c h a i ms t o fit f o r e n g i n e e ri n g p r a c t i c e i s p a i e u l a r l y i mp o r - t an t Ba s e d o n a t y p i c a l e x a mp l e o f g r a v i t y d a m ，a n e w me t h o d t h a t 3 D n u me ri c a l s i mu l a t i o n c o mb i n e d wi t h an t i c u t s t a b i l i t y an a l y s i s w a s e mp l o y e d t o a n a l y z e t h e s t a b i l i t y o f t h a t g r a v i t y d am T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e s t h a t t e n s i o n s t r e s s a p p e a r e d i n a b u t me n t ，h e r e o f a n o p t i mi z a t i o n b a s e d o n t h e o r i g i n a l d e s i g n i s c a r r i e d o u t ，a n d t h e i mp r o v e d r e s u l t s s h o ws t h a t t h e r e i s n o t e n s i o n s t r e s s i n ab u t me n t B y c o mp a ri n g t h e o r i g i n a l d e s i g n and o p t i mi z e d d e s i g n ， c o n c l u s i o n s a r e giv e n a s f o l l o w i n g ： i n o r d e r t o r e d u c e ma x i m u m t e n s i l e i n a b u t m e n t ， c o n c r e t e g r a v i t y a b u t m e n t s h o u l d b e d e s i gn e d a c e r t a i n a n g l e wi t h ma i n d am o r b e d e s i gn e d s i mi l a r t o a b u t me n t o f a r c h d a m；t h e me t h o d o f 3 D n u me ric al s i mu l a t i o n c o mbi n e d wi t h a n t i - c u t s t ab i l i t y a n aly s i s C an b e u s e d i n t h e a n a l y s i s o f c o n g e n e r g r a v i t y d am ；wh e n t h e r e s u l t s o f2 D s l i d i n g s t a b i l i t y an a l y s i s C an s a t i s f y c o d e S r e q u i r e me n t s ，e l a s t ic ma t e rial c a n b e u s e d i n 3 D n u me ric al s i mu l a t i o n Ke y wo r ds ：gra v i t y d a m ；o p t i mi z a ti o n d e s i g n；s l i d i n g s t a b i l i t y；n u me ric al s i mu l a t i o n 混凝土重力坝结构简单、 施工方便， 在水利工程 中应用较 多， 近年来新建重力坝的坝高不断增加， 其局部坝段 的工作状 况对大坝整体运行的影响也越来越大， 为了发挥其经济效益， 必须保证高重力坝能够安全稳定运行。目前 ， 重力坝的研究重 心逐渐由以前单一的静力计算向静动力分析转变 I 4 ， 由二维 抗剪断稳定计算向基于分项系数法的深层或多滑动面抗滑稳 定分析转变 I 9 j ， 而关于重力坝体形及布置方面的研究越来越 少 “ 。静动力分析及基于分项系数法的抗滑稳定分析从方 法及实现平台来讲还需深入探讨 ， 目前还无法成为实际工程应 用中方便快捷的方法。相对于上述两种方法， 抗剪断稳定计算 有着操作简便且容易实现的优点 ， 而静力平衡是静动力分析的 基础， 因此笔者以二维抗剪断稳定计算与三维静力平衡相结合 的方法 ， 对某典 型重 力坝进行 安全稳 定分 析 ， 并 在此 基础上 对 重力坝平面布置进行了优化设计。 1 工程概况 某水库为主要供水水源工程， 兼顾农业灌溉和养鱼等综合 效益， 对保证附近钼矿的正常开采运行具有重要的作用。水库 大坝为实体 昆凝 土重力 坝， 最大坝高为 5 5 m， 坝顶高程为 1 1 3 0 0 I n ， 坝顶长 2 0 7 5 m， 坝顶宽度为 7 1 11 ， 最大坝底宽为 3 8 8 5 m。大坝左岸和中部为直线 ， 右岸为折弧线， 共分为 1 4 个坝段， 由右岸向左岸依次编号 ， 其中6 、 7 坝段布设取水建筑 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 2 - 0 2 基金项 目： 中国水利水电科 学研 究院基金项 目( 2 0 0 9 0 2 5 ) 。 作者简介： 李林科( 1 9 8 6 一) ， 男， 重庆人， 硕士， 研究方向为水利工程、 岩土I程 数值 分析 。 通讯作者 ： 张爱军( 1 9 6 4 一 ) ， 山西阳高人 ， 教授 ， 博士 。 E ma i l ：li l i n k e 1 2 6 c o rn 1 2 5 人 民 黄 河2 0 1 2年第 8期 物 ， 9 坝段布设溢流建筑物， 1 0 坝段布设泄流建筑物。水库运 行历史中出现过水位达 1 1 2 9 7 4 m的超高标洪水( 高出校核洪 水位0 7 4 m) ， 复核大坝实际运行状态对保证大坝安全运行显 得极 为重要 。 目前还没有提出统一的标准可以选用材料本构模型对重 力坝进行数值计算， 对该问题还需做进一步研究。该坝基岩完 整， 地质条件良好， 数值模拟计算时是否能采用弹性材料参数 还有待证实。为了较好地解决上述问题， 笔者按照混凝土坝设 计规范中的大坝抗滑稳定和应力计算方法进行大坝二维稳定 性复核 ， 并建立了重力 与坝基岩体的联合三维数值模型， 对大 坝进行 三维应力 和稳定性 复核 。通 过对 比二维 和三维 计算结 果 ， 寻求适用于该工程的数值计算 方法。 2 计算模型及参数 2 1 抗剪断稳定计算及分析 关规定及坝体现场钻芯质量检测数据， 确定计算工况及荷载组 合， 见表 1 。混凝t 基岩 、 混凝土 软弱面、 混凝土 混凝土对应 的抗剪参数I厂 ( 抗剪强度摩擦系数) 分别为0 7 、 0 3 8 5 、 0 7 ， 混凝 土 基岩的抗剪断参数_厂=1 1 ( 抗剪断摩擦系数) 、 c =1 2 MP a ( 抗剪断强度凝聚力) ， 其他计算参数见表 2 。 表 1 计算工况及荷载组合 工 况面 而 材料各称 变形 G Pa 坝体混凝土2 5 2 3 3 3 2 4 8 3 1 2 3 8 0 5 9 5 3 6 1 0 2 0 基岩 2 6 8 5 6 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 8 0 0 2 5 依据 混凝土重力坝设计规范( S L 3 1 9 -2 0 0 5 ) 中的相 典型荷载计算结果见图 l 。 1 6 8 7 6 垂且 l 4 7 2 4 一 _ 1 d 、 。一 4 5 3 0 2 l 5 3 4 9 蚕 17O 24 kN _ B 掣 N l 】 峭 32495 kN 地 震动 水压 力 地 震惯 性力 淤沙水 压力 静 水压力 3 8 8 5 扬压 力 图 1 典型荷载计算结果( 长度单位 ： m) 根据 混凝土重力坝设计规范 ( S L 3 1 9 -2 0 0 5 ) 的规定， 稳 地形等高线及工程竣工图建立三维模型 ， 坝体模型见图 2 。为 定性复核采用抗剪断强度公式计算。3个复核剖面在不同荷载 模拟各坝段之间横缝的影响， 在相邻坝体之间设置接触单元。 组合作用下的大坝抗滑安全系数见表 3 ， 坝体应力采用材料力 由于取水管道以及坝体内部廊道尺寸与坝体尺寸相比较小 ， 且 学方法进行计算 ， 垂直应力计算结果见表 4 。 表 3 大坝抗滑稳定性安全 系数计算结果 、 溢流坝段 取水坝段 挡水坝段 上游坝踵 下游坝趾 上 游坝踵 下游坝趾上游坝踵下游坝趾 1 0 0 6 7 0 8 4 2 0 2l 2 0 8 3 8 0 1 6 7 0 8 5 2 2 0 0 0 3 0 9 01 0 1 4 4 0 9 03 0 1 01 0 0 8 5 3 0 0 9 3 0 93 9 0 2 0 4 0 9 5 6 0 1 6l 0 9 6 8 由表 3 、 表 4可以看出， 坝体抗滑稳定性、 应力均满足规范要 求。由理论分析可知， 该坝处于安全稳定状态， 坝体仍处于弹性 阶段 ， 采用弹性 材料参数对其进行三维数值模拟计算是可行 的。 2 2 三维模型计算及分析 为充分模拟重力坝与坝基的共同作用， 三维模型纵向范围 取2倍坝高 ， 坝体左右两岸范围取 1 倍最大坝底宽， 根据实际 】 2 6 不是本次计算的重点， 因此建立模型时未考虑。模型网格剖分 见图 3 。 图 2坝 体 三 维 模 型 根据检测试验， 三维计算参数选用表 2中相应参数， 其中 抗压及抗拉强度分别为表 2中对应的允许值。各工况下荷载 计算与二维计算相同 ， 此处不再赘述 。考 虑到坝体受 力情况较 为复杂， 建立模型后 ， 根据实际水位计算扬压力及其分布情况， 建立对应的空间函数及参考面， 确保所有荷载准确无误地加 载。计算模型中共建立 1 6 0个参考面， 8 4个空间函数。 人 民 黄 河2 0 1 2年第 8期 图 3三维模型 网格剖分 坝体位移计算结果表明： 坝体整体变形均匀， 无突变。在 空库工况下， 主要荷载为坝体的自重， 坝体变形以向上游倾斜 和垂直沉降为主； 在设计和校核洪水位工况下， 在坝体 自重荷 载、 上下游水压力、 扬压力和泥沙等压力作用下， 变形为向下游 和垂直沉降为主。水平位移由坝体底部到顶部逐渐增大在坝 体顶部达到最大， 同一高程上坝体上游与下游部位水平位移基 本相同， 从溢流坝段剖面水平位移等值线云图上看， 也存在以 上规律 。 坝体应力计算结果表明： 除左右坝头段拉应力超出规范允 许值， 其余部分均满足要求。 由表 5可以看出， 坝体水平及垂直方向位移均随洪水位的 增大而增大， 但其变形量级为毫米级， 且均满足规范要求。 表 5 位移计算极值 垂直坝轴线方向的水平位移 垂直沉降 荷载组合工况 最大值 位置 最大值 位置 mm m m 注： 水平位 移以指 向上 游为正值 ， 以指 向下游为 负； 垂直 方 向位移 以 向上变形为正， 以向下沉 降为负。 可见 ， 三维计算结果与二维( 材料力学方法) 计算结果基本 一 致 ， 说明在坝体处于安全稳定状态时， 可以认为坝体处于完 全弹性阶段 ， 采用弹性材料对大坝进行三维数值模拟是可行 的。但是二维计算无法全面反应坝体实际应力分布情况 J ， 因 此笔者认 为分 析重力 坝安全 稳定 问题应将 二维抗 滑稳定 及应 力计算与三维数值模拟相结合。其原因在于： 二维抗滑稳定计 算速度快， 且没有考虑三维空间结构的相互作用， 其计算结果 偏于安全 ； 三维数值模拟能较为真实地反应 大坝的应力及 变形 情况， 在确定大坝处于稳定状态时， 采用弹性材料参数对大坝 进行三维数值模拟， 计算结果与实际相符。 1 4 坝段处 出现较 大拉应力 ， 且随着 洪水 位 的增加 而不 断 增大 。坝头段拉应 力虽然超 过了混凝 土允许抗拉强 度 ， 但是 超 过的量值不大， 远小于混凝土极限抗拉强度 ， 且范围较小， 分布 位置处于坝顶部位 ， 不至于引起坝体开裂。分析其出现拉应力 的原因为： 上游水压力的作用使坝体 向下游发生位移， 而两岸 坝头坝段与基岩紧密连接， 无横 向伸缩缝， 因此产生拉应力。 右岸坝头为拱形体形使得拉应力较小， 而左岸坝体垂直基岩布 设， 拉应力较大。对于重力坝( 尤其是高重力坝) 而言， 坝头段 因水位的变化而长时间处于水 、 空气循环作用的工作环境中， 混凝土老化及开裂会随着大坝运行时间 的增 长而不断加剧 ， 坝 头段拉应力无疑是混凝土 重力 坝坝头 安全稳定 的重 要影 响因 素。而 混凝土重力坝设计规范 未考虑到坝头段出现拉应力 的情况， 也未将坝头段列入混凝土重力坝安全稳定考虑范围。 随着重力坝在水电建设行业中的广泛应用， 以及各大关键性技 术问题的解决， 重力坝的高度不断加高及运行年限不断增长， 坝头段 出现拉应力 的问题应 得到 重视 。根据 上述分 析可 以看 出， 在坝头段设计一定角度的拱形体形有利于控制坝头段的拉 应 力。 3 优化设计方案 为寻求减小重力坝坝肩段拉应力的方法 ， 并验证 上述分析 的正确性， 特对原设计方案进行修改， 修改方案如下： 参照原方 案中右坝段布置形式 ， 将左坝肩段( 1 4 坝段) 修改为与原坝型 呈 1 5 。 夹角( 顺时针方向) ， 修改模型见图4 。 图 4优 化 设 计 方 案模 型 修改模型计算工况与原方案计算工况相同， 修改模型网格 划分方法也与原方案一致。计算结果表明： 不同工况下， 大坝 的沉降变形基本相同， 除 1 4 坝段应力分布不同外 ， 其余坝段及 基岩应力分布亦与原方案相似。优化方案坝体上部均无较大 拉应力出现， 且分布规律较好 ， 拉应力最大值出现在坝踵处。 而 1 4 坝段顶部无 明显拉应力出现 ， 坝顶处最大主应力为 3 0 0 k P a ， 较原设 计方案 中坝顶 处偏 小且与 原设计 方案 中右坝 肩大 主应力值相近， 说明折线段式重力坝分布形式消除坝肩拉应力 的效果明显， 证明前面分析正确。优化方案中 1 4 坝段最大主 应力值出现在坝体迎水面最底部。混凝土重力坝由坝顶至坝 底 ， 随着高程的下降， 其工作环境变化趋于稳定， 即该处出现坝 面反复受水、 空气交替作用的机会减少 ， 拉应力满足规范要求， 对坝面的破坏性也随之减小。该坝段的应力从坝顶到坝底逐 渐减小 ， 在同一高程上以坝趾 处最大 ， 坝踵 处最小 ； 小主应力 的 方 向基本 与下游 坝坡 平行 ， 大 主应力 的方 向基本垂 直 于坝坡 ； 该坝段大部分处于受压状态， 仅有小部分( 坝肩顶部与坝段最 底部) 出现拉应力， 但数值较小。说明坝体应力分布较好， 坝体 安 全稳定性有保证 。 4 结论 ( 1 ) 坝体抗滑和抗剪断稳定复核表明， 坝体抗剪断安全系 数满足规范要求 ； 采用材料力学方法计算坝体在各种工况下的 应力也满足规范要求 ， 表明坝体处于安全稳定状态。数值计算 表明， 坝体垂直坝轴线方 向的水平位移在各种工况下均较小 ， 计算结果与实测位移结果基本相符。 ( 2 ) 坝体抗滑和抗剪断稳定复核结果满足大坝安全稳定要 求时 ， 可 以认定大坝处于弹性 阶段 ， ( 下转第 1 3 0页) 1 2 7 人 民 黄 河2 0 1 2年第 8期 。 2 2 2 g 馘 鹄 j 1- 4 - 碾压 遍数 图 1 O 3 O 细颗粒含量混合料碾压遍数与干密度关系 细颗粒含量对孔隙率的影响以及碾压遍数与干密度 的关系。 细颗粒含量 、 压实方法是影响沙砾石料填筑质量的主要因素， 为了得 到较好 的填筑质量 和较小 的孔 隙率 ， 细颗粒含量应大 于 3 0 。试验取样时， 由于不同试样本身细颗粒级配组成和粗颗 粒级配组成存在一定差异， 因此压实后的干密度 、 孑 L 隙率规律 虽然是一致的， 但仍有较大差异 ， 其影响程度和规律有待进一 步研究 。沙砾石料 的最 佳碾压 遍数 一般 为 46遍 ， 但 其受 压 实功、 含水量、 摊铺厚度的影响较大， 在施工前应开展施工碾压 试验 ， 确定合理的施工参数。 图 1 1 3 5 细颗粒含量混誉 压 遍 数 与 干 密 度 关 系 参 考 文 献 ： 图 细 颗 粒 含 量 混 合 料 碾 压 遍 数 与 干 密 度 关 系 碾压次数 图 l 2 4 0 细颗粒含量混合料碾压遍数与干密度关系 _ = -2 3 1 兽 2 2 8 嚣 2 2 5 2 2 2 碾 压次 数 图 1 3 5 0 细颗粒含量混合料碾压遍数与干密度关系 4 结语 通过对南水北调 中线工程石门河西约 4 k m的渠道沙砾石 开挖料压 实性能 的分析 ， 研究 了沙砾石料颗粒特 性 、 沙砾石 料 ( 上接第 1 2 7页) 此 时选 用弹性材 料参数对 大坝进行 三维数 值 模拟是可行的， 不仅可以免除因选用莫尔库仑材料而不能真实 反应混凝土材料应力应变关系的问题 ， 也 可避免选用混凝 土本 构模型时参数繁多 的缺点 。 ( 3 ) 对于高大重力坝而言， 坝头段因水位的变化而长时间 处于水、 空气循环作用的工作环境 中， 混凝土老化及开裂会随 着运行 时间的增长 而不断加剧 ， 坝头段拉 应力将影响混凝 土重 力坝 坝头安全稳定性 ， 因此在重力坝的设 计及施工 中应予 以重 视。将坝头段设计为有一定角度的折线段或拱形体形有利于 控制坝头段 出现较大拉应力 。 参考文献 ： 2 3 4 姚艳华， 彭刚， 陈灯红 不同地基弹模对重力坝动力特性的影响研究 J 中 国农村水利水电 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 1 1 7 1 2 0 姜燕 ， 乐食朝 动水动土共同作用下重力坝的地震响应分析 【 J 人 民黄河， 2 0 1 0， 3 2 ( 2) ： 1 0 51 0 8 何建涛， 张伯艳， 李德玉， 等 官地重力坝静动力分析 J 水利水电技术， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 5)： 3 5 3 8 L i n k e L i ，A ij u n Z h a n g ， J i n g y u L i u， e t a l 3 D N u me r i c a l S i mu l a t i o n o f Ma j ia b i 一 翟渊军 ， 朱太 山 南水 北调 中线 一期工程 总干渠 黄河北一羡河北 段初 步设 计报告 R 郑州 ： 河南 省水利勘测设计研究有限公 司， 2 0 0 6 翟渊军 ， 朱太 山 南水北 调中线一 期工程 总干渠辉县段招 标设计报告 R 郑州 ： 河南省水利勘测设计研究有限公司 ， 2 0 0 8 赵廷华 ， 张文峰 南 水北调 中线一 期丁程辉 县段砂 卵石扰动 渠段渠道 填筑 料分析报告 R 郑州 ： 河南省水利勘测 设计研究有限公 司， 2 0 1 0 赵廷华 张文峰 南水北调 中线 一 期 = 程辉县段 、 石 门河段 砂卵石扰 动渠段 基础处理没计变更 报告 R郑 州 ： 河南 省水 利勘 测设 计研究 有 限公 司， 2 0l 1 黄河水利委员会勘测规划 设计研究 院 S L 2 7 4 -2 0 0 1 碾 压式 土石坝设 计规 范 s 北京 ： 中国电力出版社 ， 2 0 0 2 薛塞光 ， 刘佳 宽级配 砂砾石 土整 体筑坝 研究 J 宁 夏工程 技术 ， 2 0 0 7 ， 6 ( 6) ： l 6 71 6 9 刘宏 。 韩 文喜 ， 张倬 元 砂砾 石土 料 的压实 特性 J j 峡大 学 学报 ， 2 0 0 2 ( 4) ： 2 9 72 9 9 余挺 砾质土防渗料在高土石坝上的应用 J 水电站设计， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 1 5 1 7 【 责任编辑吕艳梅】 ，- ( ) )0 ( ( 、 a n C o n c r e t e G r a v i t y D a m J A p p l i e d M e c h a n i c s a n d M a t e r i a l s ， 2 0 1 l ， 9 0 93：2 62 4 2 6 32 5 周伟 ， 常 晓林 ， 徐建强 基于分项系数法的重力坝深层抗滑稳定 分析 J 岩 土力学 ， 2 0 0 7， 2 8 ( 2 )： 3 1 53 2 0 6 蒋春艳， 常晓林， 周伟 用于重力坝抗滑稳定分析的分项系数有限元方法 J 水 力发 电学报 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 1 6 2 0 7 常晓林， 黄东军， 蒋春艳， 等 重力坝抗滑稳定设计表达式及分项系数研究 J 岩土工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 8 ) ： 1 1 1 9 一i 1 2 3 8 陈祖煜 ， 陈立宏 对重力坝设计规 范中双斜 面抗 滑稳定分 析公式 的讨论意 见 J 水力发 电学报 ， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 1 0 1 1 0 8 9 黄东军 ， 聂广 明 重力坝 深层抗滑 稳定安 全评价若 干问题 的思考兼对 对重力坝设计规 范 中双斜滑 动 面抗滑 稳定 分析 公式 讨论 意 见 的答 复 J 水力发电学报 ，2 0 0 5 ( 2 ) ： 9 O 9 5 1 O 麦家煊 重力坝基本断面 的快 速优 化设计 J 水利学 报 ， 2 0 0 0 ( 8 ) ： 2 1 26 1 1 袁林娟 ， 常晓林 整体式折线重力坝 的深层抗滑稳定及加 固研究 j 岩土 力学 ， 2 0 0 3， 2 4 ( 4)：6 2 66 3 0 1 2 中华人 民共 和国水利部 S L 3 1 9 2 0 o 5混凝土重 力坝设计 规 范 S 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 5 【 责任编辑张华岩 】 釜 i 2 2 _二