混凝土面板堆石壩中高趾墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析

1、第40卷第5期2014年5月水力發(fā)電琨凝土面板堆眉?jí)沃懈咧簤Y(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析謝浩，劉斯宏，王柳江，黃明坤，張媛(河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所，江蘇南京210098)摘要：混凝土面板堆石壩高趾墻是一個(gè)三向受力體系，采用材料力學(xué)法和三維有限元法兩種方法對(duì)高趾墻進(jìn)行竣工期和蓄水期的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。結(jié)果表明，兩種計(jì)算方法所得結(jié)果基本一致，材料力學(xué)法可以簡(jiǎn)單、快捷的計(jì)算出結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力的大小和位置，但該方法具有局限性，對(duì)于重要工程仍需用有限元法進(jìn)行校核。關(guān)

2、鍵詞：混凝土面板堆石壩；高趾墻；材料力學(xué)法；有限元法；結(jié)構(gòu)應(yīng)力CalculationandAnalysisontheStructuralStressofHighToeWallofConcreteFacedRoekfillDamXIEHao，LIUSihong，WANGLiujiang，HUANGMingkun，ZHANGYuan(ResearchInstituteofHydaculicStructure，HohaiUniversityN

3、anjing210098，Jiangsu，China)Abstract：ThehightoewallofCFRDiSathreedimensionalforcesystemThematerialmechanicsmethodandfiniteelementmethodareusedtoanalyzethestructuralstressesofhightoewallduringconstructioncompletionperiodan

4、dwaterstorageperiodrespectively。Thecomparisonofresultsshowsthat：(a)thetwocalculationmethodscanbasicallygainsameconclusions；(b)thematerialmechanicsmethodcansimplyandquicklycalculatethemagnitudeandlocationofprincipalstress

5、，buthasitslimitationsandSOthestructuralstressofhightoewallinmajorCFRDprojectstillneedtobecheckedbyusingfiniteelementmethodKeyWords：CFRD；hightoewall；materialmechanicsmethod；finitedementmethod；structuralstress中圖分類(lèi)號(hào)：TV64143

6、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0559—9342(2014)050033—040前言1某工程高趾墻方案設(shè)計(jì)混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)中通常采用混凝土高趾墻的方式來(lái)彌補(bǔ)地形、地質(zhì)條件的缺陷或處理與岸邊相鄰水工建筑物合理銜接問(wèn)題。SL2282013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中定義趾墻為：“布置在趾板線(xiàn)上和面板連接的混凝土擋墻”這表明高趾墻兼有趾板和擋土墻的雙重作用。近年來(lái)，采用高趾墻的面板堆石壩工程不斷增多，陸希等罔通過(guò)材料力學(xué)法分析了公伯峽面板堆石

7、壩高趾墻的應(yīng)力狀態(tài)及安全系數(shù)；沈振中等[I采用三維非線(xiàn)性動(dòng)力有限元方法，研究了海甸峽水電站面板堆石壩高趾墻的動(dòng)力變形特性，論證了高趾墻在地震工況下的安全性；李振~]141以吉音水利樞紐工程為例通過(guò)三維有限元靜動(dòng)力分析表明了高趾墻作為非受力結(jié)構(gòu)的垂直防滲體的可行性。本文采用材料力學(xué)法和三維整體有限元兩種方法計(jì)算某工程高趾墻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析。某水電工程以發(fā)電為主，水庫(kù)正常蓄水時(shí)上游水位3400Ill，下游水位2600In

8、，最大壩高905m，水庫(kù)總庫(kù)容542億m，電站裝機(jī)容量230Mw，保證出力694MW，多年平均發(fā)電量105858億kWh。工程樞紐主要由混凝土面板堆石壩、高趾墻、左岸岸坡式溢洪道、右岸泄洪排沙洞、引水發(fā)電系統(tǒng)及地面廠(chǎng)房等建筑物組成。工程壩趾處河谷呈不對(duì)稱(chēng)“V”形。左岸近河床存在寬100～1401TI、坡角10?！?5。的較平緩坡地，緩坡后山坡地形坡角30?！?5。。右岸山坡地形坡角35。~45。。河谷底寬170m～180ITI，河床面高

9、程26300～271O0in，設(shè)計(jì)正常蓄水位處河谷寬370～380m。收稿日期：2013—1112作者簡(jiǎn)介：謝浩(199O一)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事土石壩靜動(dòng)力研究WaterPowerVo140No5豳嘲／o，習(xí)：：，比贗^EJ一似EULtJ同J丘lL悃細(xì)1^L／JLI異jj’和156MPa由此可知該處為整個(gè)高趾墻的最危險(xiǎn)點(diǎn)。除趾墻底面大主應(yīng)力超過(guò)10MPa外，其余部位均在10MPa以?xún)?nèi)，整個(gè)趾墻內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。蓄水

10、期1—1、2—2剖面的各部位應(yīng)力均較竣工期增加，而3—3剖面則與竣工期一致，這是因?yàn)樾钏谙掠嗡粸?60m低于高趾墻底面高程287rn3有限元法計(jì)算分析由于高趾墻垂直于壩軸線(xiàn)方向，材料力學(xué)法沒(méi)有計(jì)人沿上下游方向承受的水壓力。且無(wú)法考慮不同高趾墻墻體分塊之間的相互作用。《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：“1O0m以上的1、2級(jí)高壩壩體應(yīng)力和變形宜用有限元法計(jì)算”，故對(duì)高趾墻進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析。建立有限元模型如圖3所示，共有2112

11、1個(gè)單元23383個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中高趾墻部分有2564單元，3295節(jié)點(diǎn)。模型材料參數(shù)見(jiàn)表3，其中土石材料本構(gòu)關(guān)系采用鄧肯E—日模型，強(qiáng)弱風(fēng)化基巖和混凝土材料采用線(xiàn)彈性模型。圖3三維有限元網(wǎng)格施加荷載時(shí)首先模擬天然壩基覆蓋層求得初始應(yīng)力，然后模擬高趾墻和溢洪道的澆筑，再按高程逐層分級(jí)填筑壩體，最后是面板，完全真實(shí)地模擬工程的施工順序，以保證計(jì)算結(jié)果真實(shí)有效。有限元法高趾墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，整體上無(wú)論是竣工期還是蓄

12、水期，高趾墻底部的應(yīng)力高于上部，但均不大于2MPa，滿(mǎn)足高趾墻混凝土的抗壓強(qiáng)度；局部上，1—1、2—2剖面高趾墻與壩體相接面的底端轉(zhuǎn)折處有表4邊緣主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(有限元法】MPa少量的應(yīng)力集中(如圖1b中的M點(diǎn)和圖1c中的N點(diǎn))，是整個(gè)高趾墻的最大主應(yīng)力分布點(diǎn)。對(duì)比兩種工況的結(jié)果可知，高趾墻1—1剖面蓄水后受到水壓力的作用，大主應(yīng)力較竣工期增大，但也減小了C—C截面左邊緣的應(yīng)力集中(如圖1b中的L點(diǎn))，這是由于蓄水后左側(cè)水壓力大于右側(cè)水

13、壓力：2—2剖面竣工期下部的應(yīng)力分布與蓄水期大致相似，只是蓄水期應(yīng)力稍大；3—3剖面竣工期和蓄水期的應(yīng)力分布情況基本一致。4材料力學(xué)法與有限元法的對(duì)比分析圖4為用有限元法計(jì)算的高趾墻大主應(yīng)力分布可知，用材料力學(xué)法和有限元法計(jì)算的高趾墻內(nèi)大主應(yīng)力分布大致相同，特點(diǎn)是：①最大主應(yīng)力均位于高趾墻與壩體相接面的底端轉(zhuǎn)折處；②類(lèi)似于重力式擋土墻，高趾墻白上而下大主應(yīng)力逐漸增大：由于壩體一側(cè)土壓力的作用，越深入壩體一側(cè)，高趾墻底面的大主應(yīng)力越大；③