混凝土高拱坝直线型河道库盘变形规律分析.pdf

第l 0 期 ( 总第 1 2 7 期) _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - -_ _ _ _ _ _ - -_ _ _ _ _ 一 2 0 1 5 年l O 月 中国水 能及电气化 N o 1 0 ( T0TAL No 1 2 7) Chi n a Wa t e r Po we r& El e c t r i fic a t i O n D OI ：1 0 1 6 6 1 7 j c n k i 1 1 5 5 4 3 T K 2 0 1 5 1 0 0 1 7 混凝土高拱坝直线型河道库盘变形 规律分析 陈 晨 王文芬 陈平龙 ( 1 江苏建筑职业技术学院，江苏 徐 i,1 2 2 1 1 1 6 ；2 江苏省徐州市水务局，江苏 徐州2 2 1 0 0 0 ) 【 摘要】 常规的研究发现，高拱坝高坝大库所产生的库盘变形影响是必然存在的，由于其变形规律 的不明确 性，有必要对高坝大库的库盘变形规律进行研究。本文仅考虑库盘变形的弹性部分，利用线弹性有限元方法 ， 建立高拱坝大范围直线型河道库盘有限元模型，通过数值分析方法研究直线型河道库盘变形规律，并确定合理 的库盘建模范围，在此后实际工程的坝体变形分析中，为全面考虑库盘变形对坝体变形性态的影响奠定 了基础， 确保能够有效地监控大坝的安全运行。 【 关键词】 高拱坝；库盘；直线型河道 ；变形规律 中图分类号 ：T V 6 4 2 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 3 - 8 2 4 1 ( 2 0 1 5)1 0 - 0 0 5 7 - 0 4 An a l y s i s o n de f o r m a t i o n l a w o f c o nc r e t e h i g h a r c h da m l i ne a r r i v e r c ha nn e l ba s e p l a t e C HEN Ch e n ，W ANG W e n f e n ，CHEN Pi n g l o n g ( 1 J i a n g s u A r c h i t e c t u r e V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6， C h i n a； 2 J i a n g s u X u z h o u Wa t e r A u t h o r i t y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Re g u l a r s t u d y d i s c o v e r s t h a t b a s e p l a t e d e f o r ma t i o n i n f l u e n c e p r o d u c e d b y h i g h a r c h d a m h i g h d a m r e s e r v o i r i s i n e v i t a b l e I t i s n e c e s s a r y t o s t u d y t h e b a s e p l a t e d e f o r ma t i o n l a w o f h i g h - d a m r e s e r v o i r b e c a u s e o f t h e u n c e r t a i n t y o f t h e d e f o r ma t i o n l a wI n t h e p a p e r ，o n l y e l a s t i c p a r t o f b a s e p l a t e d e f o r ma t i o n i s c o n s i d e r e d，a n d l i n e a r e l a s t i c f i n i t e e l e me n t me t h o d i s u t i l i z e d f o r e s t a b l i s h i n g h i g h a r c h d a m wi d e r a n g e l i n e a r ri v e r c h a n n e l b a s e p l a t e f i n i t e e l e me n t mo d e 1 T h e d e f o rm a t i o n l a w o f l i n e a r fi v e r c h a n n e l b a s e p l a t e i s s t u d i e d t h r o u g h n u me ri c a l a n a l y s i s me t h o d Ra t i o n a l b a s e p l a t e mo d e l i n g s c o p e i s d e t e rm i n e d， t h e r e b y l a y i n g f o u n d a t i o n for c o mp r e h e n s i v e l y c o n s i d e ri n g t h e i n fl u e n c e o f b a s e p l a t e d e f o rma t i o n o n d a m d e f o rm a t i o n b e h a v i o r i n d a m d e f o rm a t i o n a n a l y s i s o f p r a c t i c al p r o j e c t i n t h e f u t u r e ，a n d e n s u ri n g e f f e c t i v e mo n i t o rin g o f d a m s a f e o p e r a t i o n Ke y wor ds：hi g h a r c h d am；ba s e p l a t e；l i n e a r r i v e r c ha n n e l ；de f o rm a t i o n l a w 新中国成立 以来，我 国的拱坝建设发展引人瞩 目。当前 ，拱坝建设迎来了新的高峰期 ，一批 3 0 0 m 级 的超 高 混 凝 土拱 坝 在 西 南 地 区 已建 或 在 建 ，如 ： 2 4 0 m的二滩 ( 库容 5 8 亿 m ) 、2 9 4 5 m的小湾 ( 库容 1 5 0 亿 m 。 ) 、2 7 8 m的溪洛渡 ( 库容 1 2 8亿 m 。 ) 、2 8 9 m 的白鹤滩 ( 库容 2 0 6亿 m )以及 3 0 5 m的锦屏一级 ( 库容 7 8亿 m ) 。实际工程中，技术人员往往发现坝 体变形 的数值计算成果 与监测 数据存 在很大差异 ；也 科学研究及工程设计 S c i e nt i fic Re s ea r c h & Eng i n e e r i n g De s i g n 有一些工程在蓄水阶段的监测资料表明，在库水位、 温度和库盘变形以及坝体特定结构的作用下 ，坝体有 向上游倾倒的变形现象。随着拱坝高度的不断提升， 高坝大库 工程所 特有 的库盘变形 问题则愈来 愈不能忽 视。因此 ，引入了库盘变形概念，探讨库盘变形对高 拱坝的破坏与安全问题。库盘变形是 由上游巨大水体 的自重引起的，它造成坝基向上游转动，使坝体产生 向上游的倾倒变形。目前，高拱坝工程的设计、计算 及监测方面的研 究工作 只局 限于近坝范 围内，而远坝 区库盘的变形往往被忽略。对高拱坝而言，高坝大库 所产生的库盘变形问题是客观存在的，而其对拱坝变 形产生的影响是不明确的，因此，有必要对库盘变形 问题进行研究 ，以便全 面地认识高坝 大库所引起 的库 盘变形问题，进一步分析其对高拱坝变形的影响，科 学有效地指导高拱坝设计、施工、运行工作。 目前国内外对库盘变形的影响监测和分析较少 ， 国内仅有极少数工程开展了库盘变形的监测工作口 ； 顾冲时、吴 中如 提 出了考虑库盘作用下，坝体、 坝基和库盘参数反演的确定性模型方法，探讨了混凝 土坝空间位移场的正反分析模型；熬麟 探讨了重力 坝有限元分析中应力边界条件和位移边界条件的考虑 方法；黄耀英等_ 6 引将水库地基简化为半无 限体，推 导了地基的位移和应力 ，研究了模型合理的建模范围 与边界约束方式。 直线 型河道 是 目前较 为简单 的库 盘形式 ，我 国最 著名的三峡大坝就属于近似 的直线型河 道库盘 ，还有 白山水 电站拦 河坝 、东风水 电站 大坝 、青 铜峡 大坝 、 盐锅峡水电站大坝等都属于近似的直线型河道库盘， 本文以高拱坝为例研究直线型河道库盘变形对坝体变 形 的影 响。 1 直线型河道库盘模型的建立 在各种荷载的长期作用下，高拱坝库盘的变形可 以分成 弹性变形 和塑性变形两部分 。随着库水位周 期 性 的涨落 ，库盘 的变形也随之变化 ：库水位越 高 ，库 盘所承受的水体 自重越大，其相应的变形也越大，这 是库盘变形的弹性部分。而在库水的长期作用下，库 盘岩体的裂隙、节理和其他软弱构造将发生不可恢复 的塑性变形 ，称为时效变形。就宏观来说 ，该项变形 的特点是在蓄水初期变化急剧，而后随着时间的推移 而逐渐趋于稳定。本文仅考虑库盘的弹性变形部分， 利用线弹性有限元方法 ，建立一高拱坝直线型河道大 范围库盘有限元模型 ，通过数值模拟分析方法确定合 理的大库盘有限元模型范围，为了研究直线型河道库 盘变形规律，首先建立高拱坝直线型河道库盘大范围 模型 。 1 1 有限元计算模型的范围 上游方 向取 3 0 k in，下游 方 向取 1 0 k m，左右 坝肩 各取 1 0 k in，坝基础深度取 1 0 k in，坝高 3 0 0 m。有限元 节点布置时，尽可能将变形测点安排在节点上。 1 2 模型中坐标系的选取 X轴垂直于拱坝 中心线 ，指 向左岸 为正 ；y轴平 行于拱坝 中心线 ，指 向上游为 正 ；Z轴 以竖直 向上方 向为正 。直线型河道库盘有限元模型主要采 用六面体 八节点等参单元 ，部分区域采用五面体六节点等参单 元。库盘模 型共有 1 4 6 7 9 7个单元、1 5 5 6 4 0个节点。 直线型河道库盘有限元计算模型如图 1 所示。 图 1 直线 型河道库盘整体及 近坝区有限元 网格 1 3 边界条件 库盘模型底部边界施加完全位移约束；库盘上下 游侧边界施加顺河 向链杆约束 ；库盘左右岸边 界施加 横河向链杆约束。 1 4 力学参数 库盘基础变形模 量 、密度随深度逐渐增 大 ，泊松 比逐渐减小 ，其 中地 基密度 2 5 0 0 2 7 0 0 k g IT I ( 1 k m l O k m) 、泊 松 比0 2 3 0 2 ( 1 k m 一 1 0 k m) 、变形模 量