基于有限元法的鲁班水库干砌条石重力坝除险加固效果分析.pdf
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1、 四 川 水 利基于有限元法的鲁班水库干砌条石重力坝除险加固效果分析侯 程吴一杰曹选平刘 波陈 姚(中水君信工程勘察设计有限公司成都 西华大学能源与动力工程学院成都)【摘 要】水库的除险整治是其安全稳定运行必不可少的一个环节除险加固方案的有效性和合理性是水库除险加固的关键 以四川三台县鲁班大型水库干砌条石重力坝为研究对象设计除险加固方案建立坝体坝基三维有限元模型采用非线性静力有限元法分析除险加固前后坝体及面板的应力变形分布规律 通过分析坝体静力稳定性及面板的应力变化评价除险加固方案的可行性和合理性为水库运行维护决策和类似工程提供一定的参考【关键词】干砌条石重力坝 除险加固 应力位移分析 坝体稳
2、定性 有限元法 中图分类号:文献标志码:文章编号:()引言我国砌石坝数量众多高度 以上的砌石坝已超过 多座其中坝高超过 的有 多座大部分建造于改革开放以前多数大坝运行至今超过 年已步入老坝的行列尤其汶川大地震后部分坝体受到地震影响加剧了变形、渗流等问题发生的速度因此关注坝体除险加固开展水库大坝的应力应变分析评价其稳定性、安全性显得尤为重要 在不同材料的接触面由于两侧材料性质的差异使其存在较大的应力和应变面板砌石坝中面板与垫层间的接触面常常会发生较大的变形和应力集中因此面板的应力、变形与开裂往往是受到最大关注的问题 针对防渗面板的修复方案中在原防渗面板上游重新增设钢筋混凝土防渗面板技术较为可靠对
3、较高的浆砌石坝保证上游坝面防渗面板及坝体结构稳定性是防渗加固成功与否的关键本文结合鲁班水库干砌条石重力坝现状进行除险加固方案设计采用 软件对除险加固前后的坝体和面板进行有限元数值计算分析坝体静力稳定性与面板受力情况评价水库大坝除险加固方案的可行性及整治效果为类似工程提供一定的参考 现状与除险加固措施 水水库库工工程程现现状状鲁班水库是一个大()型囤蓄水库位于三台县鲁班镇境内工程等级为等主要建筑物级别为 级 库正常蓄水位 总库容 亿有效库容 亿 枢纽主坝为钢筋混凝土面板干砌条石重力坝最大坝高 坝顶高程 坝顶长宽 最大坝底宽 上游坝坡 在高程 设有一级马道下游坝坡 分别在高程、处设有马道马道宽 在
4、坝内设有一条钢筋混凝土灌浆廊道宽 高 底部高程 坝内廊道长(原河床坝基段长 )经检测水库大坝面板有明显裂缝 条、渗漏点 个、侯 程吴一杰曹选平等:基于有限元法的鲁班水库干砌条石重力坝除险加固效果分析 混凝土明显剥落 处以及伸缩缝止水材料大部分已塌陷存在多条裂缝导致坝体存在一定的安全隐患急需整治 除除险险加加固固方方案案大坝现状面板采取高压水流冲毛后增设一块 厚 钢筋混凝土面板 高程 以下沿原分缝两侧分别增设 宽 厚 钢筋混凝土补强肋板面板底部增设 宽 厚 钢筋混凝土趾板趾板与原坝体基座接触部位设 道铜止水与原混凝土之间采用 锚筋连接 长度 伸入原混凝土层间排距为 梅花形布置 分界梁处增设一条水
5、平缝面板除和 面板增设一条垂直缝外其余分缝均与原缝对齐布置 坝体中部采用垂直压缩缝并设止水两坝肩设垂直张拉缝并设止水形成防渗封闭体系 有限元计算模型及计算条件 本本构构模模型型的的选选择择垫层区及干砌条石主要采用 模型进行模拟计算该模型是一种建立在增量广义虎克定律基础上的非线性弹性模型 混凝土面板采用线弹性模型进行计算线弹性材料本构关系服从广义胡克定律即应力应变在加卸载时呈线性关系 地基采用 屈服原则不考虑中间主应力的影响采用接触单元模拟钢筋混凝土面板干砌条石重力坝模型中坝体与边坡、地基的接触面 面板与垫层之间采用面面接触单元以模拟接触特性趾板与面板周边缝及面板间垂直缝采用分离缝模型来模拟 三
6、三维维有有限限元元模模型型及及计计算算条条件件根据现场实测数据及已有资料确定三维有限元模型范围:坝基向下延伸两倍坝高上下游分别延伸坝左右岸分别外延 和 采用 软件建立整治前后三维有限元模型模型的 向为坝轴线方向垂直于水流方向指向左岸为正 轴为水流方向指向上游为正 轴为竖直方向竖直向上为正 模型底部施加全约束地基四周边界施加法向约束 坝体材料分区及相关参数见表 表 材料力学参数坝体分区弹性模量()泊松比密度(/)加固前坝基基础最底层 坝基第二层 坝基第一层(含坝肩)坝体干砌石部分 坝体上游垫层部分 坝体面板部分 廊道衬砌(三维:浆砌石部分)加固后增加区域增加面板部分 下游坝坡灌浆部分 采用四面体
7、单元整治前工程整体三维模型网格剖分如图 所示剖分单元总数为 个 整治后工程整体三维模型网格剖分如图 所示剖分单元总数为 个图 整治前工程整体三维模型网格图 整治后工程整体三维模型网格这里主要分析大坝常年运行工况正常蓄水位()工况 计算荷载主要考虑自重、静水压力及扬压力 应力计算结果以受压为负受拉为正 四 川 水 利 计算成果与分析 除除险险加加固固前前坝坝体体的的应应力力变变形形分分析析()根据图 和图 位移分布可见整体以竖向变形为主 坝体竖向位移量与所在位置的坝体砌石高度基本成正比坝体最大沉降值出现在下游堆石区其值为 水平位移主要来源于上游侧向水压力作用产生的偏移随着水深增加呈现从顶部到中下
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