涧峪水库混凝土面板堆石坝应力变形分析.pdf

1前言 涧峪水库混凝土面板堆石坝应力变形分析 张婉 闵大伟 张帆 ( 1 渭南市水务局 陕西 渭南 7 1 4 0 0 0 ； 2 渭南市涧峪水库工程建设管理局 陕西 渭南 7 1 4 0 0 0 ； 3 陕西省水环境 工程勘测设计研 究院 陕 西 西安7 1 0 0 1 8 ) 摘 要 本文介绍采用静 、 动力三维有 限元法， 对涧峪水库混凝土面板堆石坝施工填筑、 蓄水和运 行期发生 8度地震的情况进行了仿真模拟。通过综合分析， 评价 了坝体设计方案， 并给 出 结论和建议。 关键词 混凝土； 面板； 堆石坝； 变形 中图分类号： T V 6 4 1 4 + 3 文献标识码： B 渭南市涧峪水库大坝工程采用当地材料 混凝土面板堆石坝， 坝顶高程 7 9 1 O m， 最大坝 高 8 1 O m，水库正常蓄水位 7 8 6 5 m，总库容 1 2 8 4 万 m ， 坝址区地震烈度为 8 度。 在水库设 计阶段 ， 涧峪水库工程建设管理局委托南京 水利科学研究院对大坝进行静 、动应力变形 分析 ， 为水库的建设和运行提供科学的依据。 本文作者有幸参与了这项工作，下面简要介 绍本次研究的方法 、 内容和结论， 希望与各位 同行探讨交流。 2静、动应力变形计算方法和计算 参数 ( 1 ) 静力计算模型 堆石料的本构模型采用了“ 南京水利科学 研究院” 双屈服面弹塑眭模型。混凝土面板计 算模型、 混凝土结构采用线弹性模型， 其应力 应变关系符合广义虎克定律。 ( 2 ) 动力计算模型 在三维情况 下 ，用地震动 力问题 的平 衡 方程式计算。动力计算采用等价粘弹性模型 进行，其原理就是把循环荷载作用下应力应 变曲线实际滞回圈用倾角和面积相等的椭圆 代替，并由此确定粘弹性体的两个基本变量 剪切模量。 3静力有限元计算结果 静力有限元分析采用“ 南水” 双屈服面模 型计算结果， 重点研究蓄水期面板的应力变形 以及面板周边缝和垂直缝的位移， 同时选择三 个典型剖面0 + 0 4 2 、 0 + 1 0 5 和 0 + 1 6 1 研究坝体 的应力变形 。 ( 1 ) 坝体应力变形结果 三个典型剖 面内沉降 、侧 向水平位 移和 大 、 小主应力计 算特征结果如表 1 。 窄宜小于 6 0 ， 纵横向围堰宜布置成梯形。如 果预留渠底 6 o 宽度即 4 8 m过水 ， 剩余 3 2 m 渠底 ，减去纵向围堰底约压占渠底横向开挖 宽度 2 4 m， 则可开挖宽度仅余 O 8 m) 。 同时， 分 期导流施工工序复杂， 围堰时T作难度大， 堰 体闭水效果难以保证， 且堰体工程量大， 清理 困难 。 按照西安科创 城建设计技术 咨询有 限公 司的设计 ，施工 时采用半幅施 工 ，中间设 置 2 n l 高钢板 围堰 ， 设计水位 l m。 由于钢板 嗣堰 需要 吊车 、导粱 、震 动桩 锤 、 挖机 、 电焊机等设备及特制钢板桩。本工 程导流范 围小 ，钢板 围堰导 流对于本工程 显 得“ 大材小用” 。鉴于漕运明渠 日 常流量小， 非 汛期时流量稳定，建议采用在渠底顺水流方 向埋设钢管 ， 钢管进出口设置横向挡水围堰， 渠底导流， 汛期结束后施工。 4 2 1 有关计算 已知条件： Q = 2 2 5 m 3 s ，管长 L = 9 m， 粗糙系数 n = O 0 1 2 5 ( 新管 ， 使用过程中将逐 渐沉积一些污垢 ， 按正常管考虑) 。首先选 定管中允许流速 ： 根据工程实践的经验 ， 为 避 免泥沙淤积 ， 及不使水头损失过大， 流速 宜选用 1 5 r r d s 2 5 m s ， 这里取 v = 2 m s ， 管 径 计 算 式 为 ： d ： 、 V删 经计算为 1 _ 1 9 7 m， 为了便于施T， 采用直 径 d=1 2 m， 管中实 际流速为 1 9 9 m s 。 根据短管淹没出流公式计 算上下游水头差 ： z= 寺 + 砉 式 中， 沿程阻力系数 ； 11 ( 局部水 头损失 系； 管 中流速 ， m s 。 计算得水头差为 O 3 3 m。为保证围堰安 全、 稳定及上、 下游河水不进入开挖基坑， 确定 上游围堰高度为 1 8 O m， 下游围堰高 1 5 0 m。 4 2 2流量验算 因管路不长 ， 忽略局部水头损失及流速水 头，利用流量计算公式： Q 、 2 验算 ( 式中符号含义同前) 。 计算得流量为 2 2 5 m 。 验算结果说明钢 管满足过流， 管径选取合理。 5结语 从以上几处导流钢管实施的效果来看， 钢 管导流布置灵活， 在穿越公路、 铁路， 场地狭窄 的情况下 ， 在上下游、 左右岸导流渠道错位布 置 ， 小流量污水与导流渠不在一侧 汇流的情况 下使用 ， 可有效解决外部协调困难， 解决明渠 导流压占作业面而带来的开挖困难， 解决长期 依靠水泵抽排导流带来的管理困难， 降低导流 费用 ，在小型水利工程施工导流中非 常实用 。 钢管导流适用 于河渠 流量较小( 3 m s ) 情 况 下使用， 具有使用方便、 投资小、 施工简单 、 安 装拆除方便等优点。 以上案例为类似工程施 工 导 流积累 了经验 。陕 西 水利 参考文献 【 1 】 李序量水力学 M】 水利 电力出版社 1 98 3 0 9 I 2 I2 齐媛媛 下坂地 下水利枢 纽工程 导流泄洪 洞设计 1 陕西水利 ， 2 0 0 9 0 4 【 3 】 王云涛 三河 口水库工程 导流设计U 】 陕西 水利 2 0 1 1 0 4 【 4 刘乾坤 单层钢板桩围堰在滑将河特大桥 水中墩施工中的应用【l 1 陕西水利， 2 1) 1 0 0 1 ( 责任编辑 ： 黄灵芝 ) 表 1 典型剖面计算结果最大值 水平位移( c m) 主应力( M P a ) 桩号 时间 沉降( e m) 上游向 下游 向 大主应力 小主应力 竣 工期 2 5 5 4 3 1 6 4 -3 7 O 8 7 0 4 1 0 + 0 4 2 蓄水期 2 6 6 3 1 8 6 5 2 O 0 9 4 0 4 5 竣工期 3 5 2 5 5 6 2 7 5 6 1 1 6 0 5 4 O +1 0 5 蓄水期 3 6 7 7 3 O 2 8 7 2 1 2 6 0 6 0 竣工期 1 6 8 0 3 4 0 4 _ 3 2 O 5 5 O 1 8 O +1 6 1 蓄水期 1 7 3 4 2 2 9 4 6 9 0 7 3 O 3 5 坝体的最大应力变形发生在坝体最大 剖面处。蓄水期坝体上游坝坡附近的沉降 和大、 小主应力都比竣工期有明显的增加， 而坝体下游部位沉降和主应力增加则相对 较小； 蓄水期由于水荷载作用， 坝体下游水 平位移增加较大。蓄水期坝体上游部位的 应力水平比竣工期有所下降，而下游部位 变化很 小。 ( 2) 混凝土面板的应 力变形 面板最大挠度为 6 7 5 e m，发生在高程 7 4 7 5 9 m、 桩号 0 + 1 1 9 处。面板轴向位移表 现为由两岸向河谷中央变形 ，左侧面板变 形指向右岸 ， 最大值为 3 4 ra m， 发生在高程 7 8 4 3 m、 桩号 0 + 0 2 8处 ； 右侧 面板变形指 向 左 岸 ，最大 值为 2 6 m m ，发生 在 高程 7 8 7 3 4 m、 桩号 0 + 1 6 8处 。 蓄水期面板应力计算结果 ：面板顺坡 向应力在两岸周边缝附近有较小的拉应力 区域 ， 最大压应力为 2 3 4 M P a ， 最大拉应力 为 1 - 3 1 M P a 。 面板轴向应力在河谷中部表现 为受压 ， 在两岸附近有一定的拉应力区域， 最 大 压 应力 为 2 7 8 M P a ，最 大拉 应 力 1 2 5 MP a ， 位于左岸坡周边缝附近。 ( 3 ) 面板周边缝和垂直缝应力变形 蓄水期面板周边缝三向变形计算结 果， 周边缝三向变形中， 切向错动以指向河 谷为主， 沉陷基本上都指向坝内， 张拉方向 除河床部位以压紧为主外，两岸以张开为 主。三向变位最大值分别为： 错动 3 3 m m， 桩号 0 + 1 6 8处 ；沉 陷 6 9 m m，桩号 0 + 0 7 7 处 ； 张开 2 9 m m， 桩号 0 + 0 2 8处 。 坝体应力变形对照蓄水期和竣工期计 算发现：蓄水期坝体上游坝坡附近的沉降 和大、 小主应力都比竣工期有明显的增加， 而坝体下游部位沉降和主应力增加则相对 较小； 蓄水期由于水荷载作用， 坝体下游向 水平位移较大 ；蓄水期坝体上游部位的应 力水平比竣工期有所下降，而下游部位变 化很小。 混凝土面板垂直缝变形总体上是河床 部分和面板上部紧压，两岸附近和周边缝 附近张开， 垂直缝的变形不大， 最大张开变 形为 2 4 m m。 4坝体动力反应分析 坝体动力计算中堆石料的静力构模型采 用“ 南水” 双屈服面模型。 动力分析采用的地 震记录曲线为唐山迁安余震记录曲线。 ( 1 ) 坝顶动力反应加速度与坝体高度 有关， 坝体高度大， 则动力反应也大。最大 动力反应加速度位于最大剖面 0 + 0 7 7坝 顶， 最大值为 5 2 6 m s ， 与输入最大加速度 2 0 m s ： 相比，动力反应加速度最大放大倍 数为2 6 3 倍。 ( 2 ) 典型剖面坝顶垂直向动力加速度 反应 ， 与水平向动力反应加速度一样， 垂直 向动力加速度同样与坝高密切相关，坝顶 最大垂直向动力反应加速度位于最大剖 面， 其值为 3 4 5 m s 。 ( 3 ) 坝体 动力反应加速度 与坝高有关 ， 对于不同剖面相同高程的点 ，河床部位剖 面上的点反应加速度比岸坡部位剖面上的 点反应加速度大。 对于同一剖面内的点 ， 高 程大的点反应加速度大。相同剖面内同高 程 的点 ，坝轴线附近 的反应 加速度较其 它 部位点的反应加速度大。 ( 4 ) 坝体内部若干结点处垂直向地震 动力反应加速度，垂直向地震动力反应加 速度的分布规律与水平向地震动力反应加 速度类似。 ( 5 ) 水平向地震动力反应加速度明显 高于垂直向地震动力反应加速度，而且最 大反应加速度 出现的时间有较大的差别， 水平向动力反应加速度最大值出现时间在 地震发生后 l O s 左右 ，而垂直向地震动力 反应加速度最大值出现时间在地震发生后 3 s 左右 。 ( 6 ) 坝体部分单元动剪应变过程线， 动 剪应变与动力反应有关， 动力反应强烈 ， 则 动剪应变大。坝体单元动剪应变最大值发 生时间大都在震后 l O s 左右。 ( 7 )坝体部分单元动剪应力过程线 其分布规律与动剪应变相近。 计算结果反 映坝体内动剪应力不很大 ， 一般在 0 2 M P a 以下。 ( 8 ) 在地震过程中， 面板动应力一直在 变化 ， 动应力最大值发生在震后 l O s 左右 最大动拉应力为 6 1 5 M P a ，发生在面板中 部。 面板顶部和底部的动拉应力较小， 一般 在 2 MP a以下。 ( 9 ) 坝体地震永久变形与坝体高度有 关， 最大永久变形发生在河床最大剖面上， 最大残余沉降为 3 7 9 4 e ra ， 最大残余水平位 移为 3 5 6 9 e m， 最大值发生在坝顶附近。 ( 1 0 ) 地震后面板周边缝变位， 地震后 面板周边缝位移与震前相比有些变化， 三 向位移最大值分别为：张开 8 1 m m、错动 4 7 m m和沉陷 1 3 O m m， 发生位置分别为桩 号 0 + 0 2 1 、 0 + 1 6 8和 0 + 0 9 1 。 5主要结论及建议 ( 1 ) 通过对涧峪水库面板堆石坝施工 填筑和水库蓄水运行进行模拟计算结果显 示， 涧峪水库面板堆石坝方案总体可行。 ( 2 ) 蓄 水 期 坝 体 的最 大 沉 降 为 3 6 7 7 c m， 占坝高的 0 4 7 ， 此值与已建工程 相比属中等偏小。蓄水期面板周边缝三向 变形在接缝止水结构容许变形范围。 ( 3 ) 地震过程中， 面板中出现了较大的 动拉应力， 最大动拉应力为 6 1 5 M P a ， 发生 在面板中部。由于在静力状态下面板主要 受压，所以在地震过程中面板所受的净拉 应力不会很大，同时混凝土动态抗拉强度 比静态情况下要高，因此地震过程中面板 被拉裂的可能性不大。 ( 4 ) 坝体高度不同， 地震永久变形也明 显不同， 一方面不均匀沉降较大， 另一方面 顺河向变形也有较大差异，这可能导致防 渗墙很不利的工作性态。因此， 防渗墙应适 当增加配筋，同时防渗墙与面板间的接缝 止水应审慎设计， 认真施工。 ( 5 ) 震后面板周边 缝变位 ， 地震后 面板 周边缝位移与震前相比有所增加 ， 但地震 后周边缝变形量不大，在接缝止水结构允 许范围内。 ( 6 ) 设计的下游坝坡为 1 ： 1 5 ， 同时有 5 个 8 m宽的马道， 考虑到下游坝坡的安全储 备较高， 下游坝坡可适当变陡。 鉴于坝体动 力反应加速度愈接近坝顶愈大， 所以， 在坝 顶附近宜采用较缓的坝坡， 而在坝体下部， 可采用较陡的坝坡。 陕 露水剩 ( 责任编辑： 黄灵芝) e C一 、一 C