混凝土面板堆石壩中高趾墻結構應力計算分析

1、第40卷第5期2014年5月水力發(fā)電琨凝土面板堆眉壩中高趾墻結構應力計算分析謝浩，劉斯宏，王柳江，黃明坤，張媛(河海大學水工結構研究所，江蘇南京210098)摘要：混凝土面板堆石壩高趾墻是一個三向受力體系，采用材料力學法和三維有限元法兩種方法對高趾墻進行竣工期和蓄水期的結構應力分析。結果表明，兩種計算方法所得結果基本一致，材料力學法可以簡單、快捷的計算出結構大主應力的大小和位置，但該方法具有局限性，對于重要工程仍需用有限元法進行校核。關

2、鍵詞：混凝土面板堆石壩；高趾墻；材料力學法；有限元法；結構應力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中圖分類號：TV64143

6、文獻標識碼：A文章編號：0559—9342(2014)050033—040前言1某工程高趾墻方案設計混凝土面板堆石壩設計中通常采用混凝土高趾墻的方式來彌補地形、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題。SL2282013《混凝土面板堆石壩設計規(guī)范》中定義趾墻為：“布置在趾板線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，采用高趾墻的面板堆石壩工程不斷增多，陸希等罔通過材料力學法分析了公伯峽面板堆石

7、壩高趾墻的應力狀態(tài)及安全系數(shù)；沈振中等[I采用三維非線性動力有限元方法，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三維有限元靜動力分析表明了高趾墻作為非受力結構的垂直防滲體的可行性。本文采用材料力學法和三維整體有限元兩種方法計算某工程高趾墻的結構應力，并對兩種方法進行對比分析。某水電工程以發(fā)電為主，水庫正常蓄水時上游水位3400Ill，下游水位2600In

8、，最大壩高905m，水庫總庫容542億m，電站裝機容量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)及地面廠房等建筑物組成。工程壩趾處河谷呈不對稱“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。～35。。右岸山坡地形坡角35。~45。。河谷底寬170m～180ITI，河床面高

9、程26300～271O0in，設計正常蓄水位處河谷寬370～380m。收稿日期：2013—1112作者簡介：謝浩(199O一)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事土石壩靜動力研究WaterPowerVo140No5豳嘲／o，習：：，比贗^EJ一似EULtJ同J丘lL悃細1^L／JLI異jj’和156MPa由此可知該處為整個高趾墻的最危險點。除趾墻底面大主應力超過10MPa外，其余部位均在10MPa以內(nèi)，整個趾墻內(nèi)沒有出現(xiàn)拉應力區(qū)。蓄水

10、期1—1、2—2剖面的各部位應力均較竣工期增加，而3—3剖面則與竣工期一致，這是因為蓄水期下游水位為260m低于高趾墻底面高程287rn3有限元法計算分析由于高趾墻垂直于壩軸線方向，材料力學法沒有計人沿上下游方向承受的水壓力。且無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計規(guī)范》中規(guī)定：“1O0m以上的1、2級高壩壩體應力和變形宜用有限元法計算”，故對高趾墻進行三維有限元計算分析。建立有限元模型如圖3所示，共有2112

11、1個單元23383個節(jié)點，其中高趾墻部分有2564單元，3295節(jié)點。模型材料參數(shù)見表3，其中土石材料本構關系采用鄧肯E—日模型，強弱風化基巖和混凝土材料采用線彈性模型。圖3三維有限元網(wǎng)格施加荷載時首先模擬天然壩基覆蓋層求得初始應力，然后模擬高趾墻和溢洪道的澆筑，再按高程逐層分級填筑壩體，最后是面板，完全真實地模擬工程的施工順序，以保證計算結果真實有效。有限元法高趾墻結構應力計算結果如表4所示。根據(jù)計算結果可知，整體上無論是竣工期還是蓄

12、水期，高趾墻底部的應力高于上部，但均不大于2MPa，滿足高趾墻混凝土的抗壓強度；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邊緣主應力計算結果(有限元法】MPa少量的應力集中(如圖1b中的M點和圖1c中的N點)，是整個高趾墻的最大主應力分布點。對比兩種工況的結果可知，高趾墻1—1剖面蓄水后受到水壓力的作用，大主應力較竣工期增大，但也減小了C—C截面左邊緣的應力集中(如圖1b中的L點)，這是由于蓄水后左側水壓力大于右側水

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