上沟水利枢纽挡水坝抗滑稳定分析

魏雪斐, 涂兴怀, 付成华, 王纪海

(西华大学能源与环境学院,四川成都 610039)

上沟水利枢纽挡水坝抗滑稳定分析

魏雪斐, 涂兴怀, 付成华, 王纪海

(西华大学能源与环境学院,四川成都 610039)

使用ANSYS软件建立了上沟水利枢纽挡水坝有限元模型,考虑水压力、扬压力、泥沙压力的影响,得出坝体的位移图和应力图,继而计算出坝体的抗滑稳定安全系数。分析结果表明,该混凝土重力坝能够满足正常工况和特殊组合下的稳定性要求。

上沟水利枢纽;ANSYS;稳定分析

1 概 述

上沟水利枢纽位于吉林省敦化市牡丹江上游。其挡水坝抗滑稳定分析的目的是核算坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求,同时也是为研究解决设计和施工中的某些问题提供依据。重力坝应力分析的方法有多种,如材料力学法、弹性理论的差分法、解析法、有限元法等,应用较广泛的是材料力学法和有限元法。笔者应用ANSYS软件模拟了上沟水利枢纽挡水坝的两种工况,对得出的结果进行了分析,以检验坝体是否能满足抗滑稳定要求。

2 本次建模使用的一般参数

大坝:弹性模量E=2.85×104MPa,泊松比ν =0.167,密度2 400 kg/m3,张开剪切传递系数0.3,抗拉强度ft=1.96 MPa,抗压强度fc=22 MPa。

基岩:弹性模量E=2.67×104MPa,泊松比ν =0.3,密度2 600 kg/m3。

此次计算的基本假定:

(1)坝体和坝基连续;

(2)坝基和坝体的材料是均匀的;

(3)基岩模型采用线弹性本构模型。

3 挡水坝有限元建模

坝顶宽12.0 m,坝底宽40.0 m,坝高44.5 m,地基上、下游和高度均取坝高的2倍。

(1)约束情况:基岩作为固定端施加全约束,垂直水流流向的坝基施加X方向约束,地基底部施加三个方向的约束。

(2)主要面荷载:上、下游静水压力;泥沙压力;扬压力。

荷载施加分基本组合和特殊组合两种工况,其数据见表1。

表1 工况参数表/m

4 应力计算

4.1 基本组合加载及计算情况(图1、2,表2)

图1 基本组合第一主应力图

图2 基本组合第三主应力图

基本组合位移图见图3、4、5。

图3 基本组合X方向位移图

图4 基本组合Y方向位移图

图5 基本组合总位移图

表2 基本组合结果分析表

规范要求挡水坝段坝踵的拉应力区深度应小于坝底宽度的7%。由以上图表可以看出,挡水坝段坝踵的拉应力区深度为1.3 m,小于坝底宽度的7%(2.8 m),故坝体所受应力满足规范要求。该工况下,坝体的抗滑稳定安全系数为3.6,大于规范要求的1.1,故坝体满足抗滑稳定要求并具有一定的安全储备。

4.2 特殊组合加载及运算情况(图6、7,表3)

图6 特殊组合第一主应力图

图7 特殊组合第三主应力图

表3 特殊组合结果分析表

特殊组合位移见图8、9、10。

图8 特殊组合X方向位移图

图9 特殊组合Y方向位移图

图10 特殊组合总位移图

由以上图表可以看出,挡水坝段坝踵拉应力区深度为1.2 m,小于坝底宽度的7%(2.8 m),故坝体所受应力满足规范要求。该工况下坝体的抗滑稳定安全系数为3.4,大于规范要求的1.05,故坝体满足抗滑稳定要求并具有一定的安全储备。

5 结 语

笔者运用有限元法对上沟水利枢纽挡水坝进行了抗滑稳定分析,由图表中的数据可以看出,挡水坝在基本组合、特殊组合作用下应力、变形和位移值均在规范规定值以内,能够满足设计、施工要求。由于上沟水利枢纽工程坝基处的工程地质条件比较复杂,而模型中所采用的地基材料和坝体材料均进行了均一化处理,这就意味着理论上提高了坝体的安全系数,因此,建议在施工过程中一定要重视和强化对地基的处理工作,并加强对坝体施工的质量控制,使之满足设计要求。

[1] 天津大学.水工建筑物[M].北京:中国水利电力出版社, 1997.

[2] 河海大学,大连理工大学,西安理工大学,清华大学,合编.水工钢筋混凝土结构学(第三版)[M].北京:中国水利电力出版社,1996.

[3] 混凝土重力坝设计规范,ADJ 21-84[S].

[4] 张光斗,王光绪,主编.水工建筑物(上册)[M].北京:中国水利电力出版社,1992.

[5] 张昌龄,主编.水工设计手册(5),混凝土重力坝[M].北京:中国水利电力出版社,1987.

(责任编辑:李燕辉)

Analysis on Dam Stability against Sliding at Shanggou Hyd ropower Project

WEIXue-fei TU Xing-huai FU Cheng-hua WANG Ji-hai
(School of Energy and Environment of Xihua University,Chengdu,Sichuan,610093,China)

Considering water pressu re,uplift pressure,sediment pressure,an finite elementmodel for water retaining dam at Shanggou hydropower p rojectwas developed by ANSYS program software.Therefore,disp lacement diagram and stress diagram for dam body are obtained,then safety factor for dam stability against sliding isworked out.The analysis results show that this concrete gravity dam is stable under normal load conditions and special load combination conditions.

Shanggou hydropower project;ANSYS;stability analysis

TV22;TV31;TV 64

B

1001-2184(2010)01-0079-03

2009-01-07

魏雪斐(1984-),男,山西太原人,在读硕士研究生,研究方向:水工结构分析及优化技术;

涂兴怀(1964-),男,四川阆中人,副教授,硕士生导师,硕士,从事水工结构教学与科研工作;

付成华(1978-),女,湖北襄樊人,副教授,博士,从事水工结构教学与科研工作;

王纪海(1966-),男,吉林九台人,副教授,硕士,从事水工结构教学与科研工作.