黄河海勃湾水利枢纽土石坝混凝土防渗墙应力及变形分析.pdf
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1、黄河海勃湾水利枢纽土石坝 混凝土防 渗墙应力及变形分 析 阮建飞 王景涛 t 陈海峰 z ( 1 中水北方勘测设计研究有限责任公 司 天津3 0 0 2 2 2 ; 2 天津市宁车沽闸管理所 天津 3 0 0 4 5 3 ) 摘 要 黄河海勃湾水利枢纽工程位于内蒙古 自治区乌海市境 内的黄河干流上, 是综合 防凌、 发 电等多项利用的水利枢纽。本文运用平面有限元方法, 针对该枢纽土石坝, 对不同厚度、 不同弹性模量的混凝土防渗墙进行 了应力及变形分析,计算结果为土石坝的安全设计 提供 了参考。 关键词防渗墙 ; 有限元; 应力及变形; 弹性模量 中图分类号: 1- V 5 4 3 + 8 2
2、文献标识码 : B 黄河海勃湾水利枢纽工程位于内蒙古 自 治 区乌海市境 内的黄河干流 上 ,坝址上距 石 嘴山水文站 5 0 k m, 下游 8 7 k m处为已建的内 蒙古三盛公水利枢纽。 坝址距乌海市 3 k m, 距 自治区首府呼和浩特市约 5 5 0 k m。 海勃湾水利枢纽是一项具有防凌、发电 等综合效益的水利枢纽工程 ,工程为 等工 程 , 工程规模为大( 2 ) 型。枢纽主要由土石 坝、 泄洪闸 、 河床式电站等建筑物组成 , 坝顶 高程 1 0 7 8 7 m,水库正常蓄水位 1 0 7 6 0 m, 水 库总库容 4 8 7 亿 m , 电站装机四台, 总装机 容量 9 0
3、 M W。其 中土石坝段总长 3 5 5 0 3 m, 最 大坝高 1 8 2 m, 防渗采 用“ 粘 土心墙 +悬挂 式 混凝土防渗墙” 形式 , 防渗墙最大深度 4 0 m, 顶端嵌入 粘土心墙 2 m。 本文通过对 土石 坝坝 基防渗墙的平面应力及变形分析,从而为合 理选择混凝土防渗墙的形式及设计参数 提 供必要的依据。 1基本资料 ( 1 ) 计算选用完建、 正常蓄水位及“ 正常 蓄 水 位 +地 震 ”三 种 工 况 。正 常 蓄 水 位 1 0 7 6 0 m, 相应下游水位 1 0 6 5 0 m。 ( 2 ) 土 石坝属 2级 建筑 物 , 工程 区 5 0年 超 越 概 率
4、1 0 的地 震 动 峰 值 加 速度 为 O 2 2 8 g , 相应地震基本烈度为 8 度, 反映谱特 征周期为 0 4 0 s 。工程抗震设计烈度为 8 度。 ( 3 )结构计算分别采用 4 0 e m、 6 0 c m厚 混凝土防渗墙,墙体材料按塑性混凝土和 普通混凝土分别考虑,塑性混凝土弹性模 量 采 用 1 0 0 0 MP a和 1 5 0 0 MP a , 普 通 混 凝 土 弹性模量采用 1 7 5 0 0 M P a 。 泊松比 0 1 6 7 , 容 重 2 4 0 k N m 。 ( 4 )防渗墙与土体间摩擦系数采用 0 1 5 ( 考虑泥皮作用) 。 ( 5 )不考虑
5、初期施工引起的土体初始位 移场和应力场, 但考虑 自重产生的附加应力。 ( 6 ) 计算时忽略坝体的块石护坡、 反滤及 垫层 ,各土层 之间采用理想 化的平面接触 方 式。 坝体及坝基土体参数见表 1 ( 粘土泊松比 采用 0 - 3 , 砂性土泊松 比采用 O 2 5 ) , 计算典 型断面见 图 1 。 表 1 2有限元计算 2 1 计算原理 本计算采用( A N S Y S 结构分析系统 ( 采用 二维平面实体单元、 接触单元 ) , 对坝体结构、 土体结构计算模型进行二维有限元2 1 弹塑性 应力分析计算。 根据地质提供的参数 , 在进行 弹塑性有限元分析中,土体采用理想弹塑性 本构特
6、性, 防渗墙采用线弹性模型。 非 线性 应力 屈 服 准 则选 用 德 鲁克 一普 坝体及 坝基 土体参数 表 天然 饱和 有效应力指标 渗透 压 缩 层厚 材 料名 称 容重 容 重 粘聚力 ( k l ,a ) 擦 角 系数 模 量 E s ( I n ) ( k N m ) ( 1 i N m3 ) ( c m s ) ( MP a ) 内摩 ( 。 ) 坝体沙砾料 2 1 5 2 2 5 0 3 5 1 1 O 3 0 心 墙粘土 料 1 9 7 2 0 6 1 5 2 4 71 O 。 6 1 4 坝基粉 砂 1 9 0 2 8 41 0 - 3 1 l 2 坝 基砂砾 石 2 3
7、5 0 3 5 21 0 4 2 4 1 0 坝基细 砂 2 0 4 O 2 9 41 0 1 4 6 0 图 1计算典型断面 拉格 ( D r u c k e r - P r a g e r ) 准则 , 相应计 算公 式 如下 : o Lf + _J 2 =K 式 中 , : 3、 3 + s n K : 兰 : 、 而 I l : o r l+ o r 2 + o r 3 J 2 =1 6 f ( l 一盯 2 ) 2+( 盯 2 一 盯 3 ) 2 +( c r 3 一 盯f ) 2) 德鲁克 一普拉格屈服准则近似莫尔 一 库仑准则, 对米赛斯准则进行了修正, 其优 点是考虑了 的作用
8、。德鲁克 一 普拉格屈 服准则适用于岩石和土壤等颗粒状材料。 2 2边界 条件 及荷 载 计算的边界条件 : 自坝体建基面以下 沿深度方向取 7 2 m ( 见表 1 ) ; 向上游( 人渗 点以上) 及下游至少取 1 5 倍坝高。 坝基底 边界为不透水边界, 即在坝基 7 2 m深度处 不考 虑垂直方 向的水流交 换。坝体及 坝基 上 、 下游 为水力边 界 , 水 头大 小与 上 、 游 水 位一致 ; 其余部分为 自由渗流表面。计算 边界约束为: 地基上游、 下游和底部均加法 向约束 。 基本 荷 载 主 要有 自重 、 上 、 下游 水 压 力、 渗透压力、 地震动力作用。各个荷载均
9、按照 水工建筑物荷载设计规范进行 ( D I 30 7 7 1 9 9 7 ) 规定取 用 。地 震荷 载 同时 计入水平向和竖向的作用 , 水平向地震加 速度代表值取 O 2 2 8 g , 竖向地震加速度代 表值取 0 1 5 2 g , 总的地震作用效应采用将 竖向地震作用效应乘以 0 5的耦合系数后 与水平向地震作用效应直接叠加。坝址属 于类场地, 地震设计反映谱按 水工建 筑物抗震设计规范 ( D L 5 0 7 3 2 0 0 0 ) 确定。 2 3计 算模 型 假定模型顺水流方向为 x正方向, 铅 垂 向上 为 Y正 方向。 大坝和地基按统一整体建模, 建基面 处坝体和土体按不同
10、节点考虑,将坝体 、 土体分别划分为二维实体单元 。 混凝土防 渗墙与土体问采用面面接触的接触单元 模拟 ; 防渗墙采用线弹性单元 , 其根部采 用 塑性铰模拟 。网格划 分 以四节 点等参单 元为主, 最终划分单元数如下 : 坝体单元 数为 7 2 0个, 土体单元数为 1 4 1 0个。 2 4计算结果及分析 考虑位移及应力等值线图占用篇幅 较大 , 本文不再示出, 仅通过计算成果表 及相应说明予以反映。土石坝段防渗墙应 力与变形计算结果见表 2 ,表中 1 3 1 、 3 分别为防渗墙的最大 、 最小主应力, 应力 均 以拉 为 正 , 压为 负 , 位 移 以偏 向下 游 为 正, 偏
11、向上游为负。完建工况位移最大值 位于中部稍偏上部位, 最小值位于底端部 位 , 均 偏 向上 游 , 主要 是 由 于 自重产 生 的 附加应 力在 墙体下 游较 上游 稍大造 成 的 ; 其他工况位移最大值位于顶端部位 , 最小 值位 于底端 部位 , 主要 是 由于墙体 两侧 的 不均匀渗 透压力造 成的 。 表 2 凝土防渗墙的最大拉应力和最大压应力 分别为 0 3 7 M P a 和4 7 9 M P a 。综合分析以 上数据 , 各个工况的压应力偏大 , 但均在 前述经验值范围内; 塑性混凝土防渗墙 的 应力较普通混凝土防渗墙有所改善 , 且 6 0 c m厚塑性混凝土防渗墙的应力最
12、小。 单 从结构分析方 面来说 ,土石坝段选 用 4 0 c m、 6 0 c m厚 塑 性或 普 通 混凝 土 防渗 墙 均可。防渗墙厚度最终尚需结合施工质 防渗 墙应 力与变 形计算 成果 表 水平位移( c m) 1 ( k P a ) 口 ( k P a ) 计算 墙体弹 工况 模 ( MP a ) 4 0 c m 6 0 c m 4 0 c m 6 0 c m 4 0 c m 6 0 c m 最 大 - 0 4 4 - 0 2 2 1 0 8 5 2 1 1 7 - 3 9 1 0 - 3 9 3 0 1 0 0 0 最小 - 0 9 - 1 o 5 - 1 5 8 9 - 1 7
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