基于有限元分析的雙曲拱壩貼角結(jié)構(gòu)形式及貼角對應(yīng)力應(yīng)變的影響

1拱壩上下游貼角方案研究和設(shè)計雙曲水庫用于切斷河流，水庫兩側(cè)群山環(huán)抱，峽谷陡坡，地形完整性，無河谷切割，峽谷段對稱呈“u”形。在拱壩澆筑時,對于壩體周邊部位,由于壩面與拱肩槽邊坡之間空隙狹小,需在一定高度的范圍內(nèi),將大壩的混凝土澆筑成貼角的形式。除方便施工外,貼角本身還能加大拱壩底部的剛度,并對壩體周邊應(yīng)力和基礎(chǔ)部位的應(yīng)力傳遞起到一定的改善作用。貼角的布置設(shè)計是拱壩設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)之一。本文對拱壩上下游貼角結(jié)構(gòu)形式、受力條件以及貼角對大壩的應(yīng)力應(yīng)變影響展開研究,分析不同貼角方案的各個工況下,大壩、基礎(chǔ)應(yīng)力及變形狀態(tài);根據(jù)分析成果,結(jié)合工程布置要求及相關(guān)工程經(jīng)驗,提出推薦的貼角形式及布置方案。2基本條件2.1壩體及周邊貼角面的數(shù)值計算溪洛渡雙曲拱壩壩頂高程610.0m,建基面高程324.5m。拱冠梁頂部厚度14.0m,底部厚度60.0m。計算中對壩體、周邊貼角結(jié)構(gòu)形式、壩基各類巖體和結(jié)構(gòu)面進行模擬。壩體及壩基巖體采用空間8節(jié)點等參數(shù)實體單元,貼角橫縫及伸縮縫采用Goodman夾層單元。整體計算域共離散為150160個節(jié)點和149091個單元。2.2應(yīng)力偏張量的不變量演化在貼角結(jié)構(gòu)形式的有限元分析中所采用的強度與本構(gòu)模型:按低抗拉彈塑性模型分析,巖體材料開裂條件用宏觀強度描述:σii>Rt(i=1,2,3)式中σii——表征應(yīng)力張量三個主應(yīng)力。在分析中σii可能呈單向、雙向及三向開裂情況,由程序自行校核并進行剛度修正。巖體是否進入塑性狀態(tài),按Druker-Prager準則判別:F=αΙ1+√J2-kF=αI1+J2??√?k式中I1和J2——分別為應(yīng)力張量的第一不變量應(yīng)力偏張量的第二不變量;α,k——與巖體材料摩擦系數(shù)tanφ和凝聚力c有關(guān)的常數(shù)。α=tanφ/√9+12tan2φk=3c/√9+12tan2φα=tanφ/9+12tan2φ??????????√k=3c/9+12tan2φ??????????√彈塑性矩陣Dep～Dep～為:Dep～=D～-(1-r)Dp～Dp～=D～{?F?σ～}{?F?σ～}ΤD～/[A+{?F?σ～}ΤD～{?F?σ～}]Dep～=D～?(1?r)Dp～Dp～=D～{?F?σ～}{?F?σ～}TD～/[A+{?F?σ～}TD～{?F?σ～}]式中r={1彈性區(qū)單元或卸載單元0塑性區(qū)單元-FF′-F加載前F＜0?加載后F′＞0?即過渡區(qū)單元對于壩體混凝土和置換混凝土,采用S.S.Hsigh四參數(shù)準則:f(Ι1?J2?σ1)=AJ2fc+B√J2+Cσ1+DΙ1-fc=0.0其中A=2.0108,B=0.9714,C=9.1412,D=0.2312定義Drucker-Prager準則對應(yīng)的點強度儲備安全系數(shù)為:Κdp～=(k-αΙ1)/√J2仿照上述點強度儲備安全系數(shù)定義,定義混凝土的點安全系數(shù)為:Κdp～=fc-DΙ1-(A?J2fc+C?σ1)B√J23研究和綜合評價的方法3.1各方案的對比分析為細致研究不同上下游貼角方案的壩體及基礎(chǔ)應(yīng)力狀態(tài),擬定10個方案研究貼角的作用。主要分析比較周邊不設(shè)貼角與設(shè)置貼角的應(yīng)力狀態(tài);上游不設(shè)貼角、設(shè)置中貼角、設(shè)置高貼角的方案對比;下游610m高程以下設(shè)貼角和416m高程以下設(shè)貼角的對比;416m高程以下高、中、低三種貼角方案對比;下游貼角設(shè)置伸縮縫的影響。通過對各個方案的綜合對比分析,確定相對最優(yōu)的貼角布置方案。計算中的荷載組合考慮了自重+正常蓄水+溫降、自重+校核洪水+溫升等組合工況。3.2壩體貼角評價對于各種貼角方案,通過計算得出大壩及貼角部位的應(yīng)力量值及分布、壩基點安全系數(shù),并進行以下3個方面綜合評價:(1)不同貼角方案的大壩應(yīng)力和變位情況,高應(yīng)力區(qū)分布范圍和量值,壩基的變形和應(yīng)力。(2)地基點安全系數(shù)分布,點安全系數(shù)低值的范圍和深度。(3)貼角部位本身的應(yīng)力狀態(tài)。通過對各個計算方案的綜合評價,確定貼角最終的設(shè)計方案。4選擇語言結(jié)構(gòu)的形狀4.1壩體及基礎(chǔ)變形的壩體圖3各個方案計算得出的壩體變位分布均勻、對稱。壩體最大順河向位移10.73～11.16cm,均出現(xiàn)在拱冠梁520m高程附近;拱端最大順河向位移2.28～2.51cm,出現(xiàn)在380m高程附近;拱端最大橫河向位移0.74～0.94cm,右岸出現(xiàn)在470m高程附近,左岸出現(xiàn)在530m高程附近。總的來看,布置貼角的壩體變位小于不設(shè)貼角的變位,并且壩體變位隨著貼角方量的增大而呈減小的趨勢。在下游貼角相同時,設(shè)置上游貼角對壩體變位的影響微弱,尤其是上游中貼角方案和高貼角方案之間差異很小,反映出壩體及基礎(chǔ)變形與上游貼角的關(guān)系不大。下游貼角的高程對壩體變位具有一定的影響。由不同的下游貼角方案計算結(jié)果可以看出,壩體變位隨著貼角方量的增大而減小。下游416m高程以上貼角對下游橫河向位移的約束作用比對順河向位移的約束作用更為明顯。下游貼角是否設(shè)伸縮縫對壩體變位影響微弱。4.2最大主壓應(yīng)力各個方案計算得出的壩體應(yīng)力分布均勻,分布規(guī)律相似,高應(yīng)力區(qū)的出現(xiàn)部位差別不大。上游壩面最大主拉應(yīng)力-1.46～-1.72MPa,最大主壓應(yīng)力5.99～6.43MPa;下游壩面最大主拉應(yīng)力-0.21～-0.50MPa,最大主壓應(yīng)力10.12～11.53MPa。上游壩面主拉應(yīng)力、下游壩面主壓應(yīng)力極值均出現(xiàn)在低部高程拱端附近。上游設(shè)置貼角壩踵拉應(yīng)力有所減小,上游貼角適當加大,可以改善上游壩面的拉應(yīng)力極值,但對上游壓應(yīng)力極值影響不大。上游貼角的不同方案對下游壩面拉壓應(yīng)力影響微弱。下游設(shè)置貼角對改善下游壩面拉、壓應(yīng)力特別是壓應(yīng)力效果顯著,并且壩趾主壓應(yīng)力過渡更加平順。貼角方量越大,應(yīng)力改善越明顯。在上游貼角相同的條件下,加高下游貼角可以略微改善上游壩面拉、壓應(yīng)力極值,壩踵拉應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力量值均有所減小。通過對下游貼角設(shè)置高程的分析,下游416m高程以上貼角可以略微改善上游壩面拉壓應(yīng)力極值,而對改善下游壩面拉壓應(yīng)力作用微弱。下游貼角是否設(shè)伸縮縫對壩體應(yīng)力影響很小。4.3未出現(xiàn)拉應(yīng)力各個方案的貼角部位均處于受壓狀態(tài),未出現(xiàn)拉應(yīng)力;按照混凝土四參數(shù)準則,貼角部位混凝土的點安全系數(shù)在5.9以上,貼角混凝土處于彈性工作狀態(tài)。4.4高程與高程的關(guān)系各個方案計算得出的壩基點安全系數(shù)分布規(guī)律相似,沿拱壩周邊點安全系數(shù)大致隨高程降低而減小。設(shè)置貼角與未設(shè)貼角方案相比較,中上部高程的壩基點安全系數(shù)相差不大,而低部高程的壩基點安全系數(shù)明顯提高,由不設(shè)貼角方案的1.0～1.5提高至設(shè)置貼角方案的1.5～2.0。5技術(shù)特點分析通過不同貼角方案分析成果,進行壩體變形、壩體應(yīng)力、貼角結(jié)構(gòu)應(yīng)力、壩基點安全系數(shù)綜合比較,確定貼角布置方案(見圖1、2)。該方案具有如下技術(shù)特點:(1)下游392m高程以下設(shè)置貼角,且與壩面進行斜面倒角過渡。(2)河床部位下游貼角至362m高程,往兩岸貼角高度逐漸均勻減小。河床部位設(shè)置階梯過渡,增大應(yīng)力擴散面積,減小下游壩趾應(yīng)力集中程度。(3)貼角分縫與相應(yīng)壩段橫縫一致,同大壩橫縫一起進行接縫灌漿。貼角自身不設(shè)置伸縮縫。(4)上游貼角采用中貼角方案,上游貼角與壩基巖體之間進行脫開處理。6不設(shè)置貼角方案對依據(jù)計算成果設(shè)計的貼角布置方案,進行各種不同荷載工況下的壩體應(yīng)力計算,得出上、下游壩面的主應(yīng)力極值見表1。表中同時列出了不設(shè)置貼角的壩體應(yīng)力極值。從壩體應(yīng)力分布看,設(shè)置貼角對壩體應(yīng)力分布規(guī)律影響很小,壩體應(yīng)力分布近于對稱;貼角設(shè)計方案較不設(shè)貼角方案,上、下游壩面拉壓應(yīng)力極值減小,并且下游壩面壓應(yīng)力分布得到改善,應(yīng)力分布更為平順。貼角設(shè)計方案在各個工況下,下游貼角均處于受壓狀態(tài),未出現(xiàn)拉應(yīng)力。按照混凝土四參數(shù)準則,貼角點安全系數(shù)在6.3以上,貼角處于彈性工作狀態(tài)。對貼角設(shè)計方案,進行各種不同荷載工況下的基礎(chǔ)變形及壩基點安全系數(shù)計算,得出壩基各個高程基礎(chǔ)的點安全系數(shù)見表2。表中同時列出了不設(shè)置貼角的基礎(chǔ)點安全系數(shù)極值。從壩基礎(chǔ)點安全系數(shù)看,貼角設(shè)計方案沿拱壩周邊基礎(chǔ)點安全系數(shù)大致隨高程降低而減小,分布規(guī)律與不設(shè)貼角時相似。貼角設(shè)計方案改善了壩址處的應(yīng)力傳遞狀態(tài),使低部高程的下游壩址處基礎(chǔ)的點安全系數(shù)有較顯著的提高;同時提高了壩體剛度,壩基變位比不設(shè)貼角時的變位減小,下游貼角處位移與大壩和巖體變形協(xié)調(diào),變形梯度更為均勻。7周邊貼角方案的確定在拱壩澆筑時,壩體周邊上、下游部位設(shè)置一定高度的貼角是必要的。通過合理地布置上、下游貼角,能方便施工,提供施工期及運行期的交通便利,能加大拱壩底部的剛度,并對壩體周邊應(yīng)力和基礎(chǔ)部位的應(yīng)力傳遞起到一定的改善作用。周邊貼角對壩體應(yīng)力和基礎(chǔ)點安全系數(shù)都會產(chǎn)生影響,應(yīng)結(jié)合拱肩槽開挖的地形條件、壩基地質(zhì)條件、拱壩基本體形綜合考慮貼角的布置設(shè)計。通過對壩體應(yīng)力分布的影響分析,壩體及基礎(chǔ)變形分析,貼角結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)分析,