基于三维有限单元的混凝土单支墩大头坝安全性评价

基于三维有限单元的混凝土单支墩大头坝安全性评价

张铁

(辽宁省汤河水库管理局， 辽宁 辽阳111000)

【摘要】混凝土大头坝因其结构的特殊性，很难采用常规方式计算其坝体自重、扬压力、惯性矩等，因此，很难通过常规理论计算对其安全性进行评价。本文结合桓仁水电站单支墩大头坝，运用AUTOCAD建模和三维有限单元法剖分方式，计算分析了其动应力及应力分布，评价了现状混凝土大坝安全性，希望对类似工程评价有所借鉴。

【关键词】混凝土单支墩大头坝； 安全性； 应力

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.09.017

中图分类号：TV131

Safety evaluation of concrete single supporting pier massive-head buttress

dam based on three dimensional finite element

ZHANG Tie

(LiaoningTangheRiverReservoirAdministration,Liaoyang111000,China)

Abstract:It is difficult to adopt conventional method to calculate dam body dead weight, uplift pressure, moment of inertia, etc. of concrete massive-head buttress dam due to the structure specialty. Therefore, it is difficult to evaluate the safety through conventional theory calculation. In the paper, Huanren Hydropower Station single supporting pier massive-head buttress dam is combined. AUTOCAD modeling and three-dimensional finite element method subdivision modes are adopted for calculating and analyzing the dynamic stress and stress distribution. Current concrete dam safety is evaluated. It is expected that the paper can provide reference for similar projects evaluation.

Key words: concrete single supporting pier massive-head buttress dam; safety; stress

混凝土大头坝是水电站建设应用较多的坝型，其具有体积大、散热好、空腔扬压力低、强度高、适应性强等优点，是水利工程大坝设计首选坝型方案，如：磨子潭双支墩大头坝、柘溪水电站大头坝以及桓仁水电站大头坝等。大头坝运行过程中出现了一些质量问题，最主要的问题是大坝裂缝问题，包括颈部水平裂缝、垂直裂缝、上游面的劈头缝等，这在一定程度上影响了大坝的安全运行以及该坝型方案的推广。混凝土裂缝的出现与其结构特点有关，结构特点导致应力分布不均匀，局部出现应力集中现象，进而导致裂缝甚至更严重情况的出现。因此，混凝土大头坝安全性评价对于大坝运行安全有着重要意义。

1工程概况

桓仁水电站是辽宁省境内的一座大型水电站，水电站以发电为主要任务，兼顾防洪、灌溉，是一座综合性水电站。桓仁大坝设计标准为千年一遇洪水，大坝全长593m，坝高78.5m；设计和校核水位分别为307.6m、310.8m，正常水位和死水位分别为300m、290m。大坝自建设之初就发现有混凝土裂缝，相关资料统计显示，大坝出现裂缝总量在2084条以上，包括垂直裂缝、劈头裂缝和耳缝。其中危害性最大的为上游面的劈头裂缝，可能导致上大头与支墩出现剪切破坏，进而破坏大坝整体的稳定性和引起大坝渗流。工程裂缝出现后采取了综合性的加固措施，包括蓄水前回填上游三角槽、涂抹沥青防渗层、采用砂浆棒措施，蓄水后采用沥青混凝土防渗层、改造封腔盖板等措施，取得了良好的加固防渗效果。对水电站大坝进行长期质量监测，通过数据分析大坝运行安全性，保证大坝在出现问题情况下能够及时进行修复。

2大头坝的应力状态分析

大坝安全性评价除了采用位移、渗流、大坝坝基扬压力等数据进行分析外，还可结合现代化数值模拟软件对大头坝结构应力及其分布状况进行分析，在一定程度上反映大头坝运行状况，对于监测大坝运行安全性以及制定相应修复措施具有重要意义。混凝土大头坝结构具有特殊性，对其动位移以及动应力的分析采用三维有限单元法方式，首先运用AUTOCAD软件建立大头坝模型，再结合超单元理论对整个模型进行剖分，最后对剖分所得节点进行有限元分析。

2.1理论计算

a.支墩头部应力。混凝土大头坝头部应力分布比较复杂，对其应力计算需要进行简化处理。常用方法为将混凝土支墩看作短悬臂梁，并按照相关材料力学计算理论进行分析，运用下式计算支墩头部应力：

式中∑M——支墩底部中点扬压力弯矩之和；

U——扬压力；

L——将混凝土支墩视作短悬臂梁的长度；

Pl——上游坝面压力。

b.坝基面应力。按照规范要求，宽缝坝坝体极值垂直正应力按材料力学理论计算，参照混凝土支墩应力分析方法，可得到坝基面的应力计算公式：

式中∑W——坝基面法向载荷总和；

∑Mx，∑My——载荷在x轴和y轴的力矩之和；

Jx，Jy——相应坐标轴惯性矩；

Tu，Td，TL，TR——y轴、x轴到上下游坝面的距离。

c.坝体稳定性分析。坝体稳定性分析主要通过坝体抗滑稳定性系数来衡量，抗滑稳定性计算主要内容为校核抗剪强度与校核抗剪断强度，二者的区别在于后者计算过程中考虑了摩擦力与混凝土共同作用的影响，而校核抗剪强度只考虑了摩擦力作用。二者计算采用以下公式进行：

式中K，K′——抗剪强度稳定性系数与抗剪断强度稳定性系数；

f， f′——抗剪摩擦系数与抗剪断摩擦系数；

C——抗剪断黏聚力；

A——截面积。

2.2三维有限单元计算分析

本文所采用的三维有限单元为8节点等参单元，所用程序能够非常全面地计算混凝土大头坝应力及应力分布情况，并且可根据要求调整大头坝的计算工作，进而得到大头坝在不同工况条件下的应力情况。该计算所包含的程序语句在800句左右，其中包含主程序1个、子程序15个，三维有限单元计算流程如下页图1所示。

图1　三维有限单元计算程序流程

3应力计算结果

3.1静力分析

由于混凝土大头坝结构形状的特殊性，用常规方法很难计算坝体自重、惯性矩、扬压力等参数。而AUTOCAD软件具有三维造型功能，可利用这一功能绘制大头坝的立体模型，再依据实体计算方法确定所需计算的参数。按照设计规范，桓仁水电站大头坝混凝土允许的拉、压应力极限分别为1.8MPa和-5.0MPa；上游坝踵允许垂直应力极限为0.2MPa，抗滑稳定性系数为1.05、3.0；大坝抗剪参数与强度参数分别为0.7和1.15。混凝土大头坝有限元计算结果见下表，其中拉应力为正、压应力为负。

大头坝应力计算结果表　单位：MPa

桓仁水电站大头坝混凝土设计拉、压应力值分别为1.1MPa和-10MPa。分析上表数据可知，大头坝混凝土坝踵、坝趾应力值均在安全允许范围内；桓仁水电站混凝土大头坝属于2级建筑物，按照抗剪断公式计算得到其在不同抗滑稳定组合条件下安全系数均超过3.00和1.05，而有限单元计算得到的抗滑稳定安全系数分别为3.20>3.00、1.18>1.05，均满足要求。除上表所列内容，计算得到坝段局部存在扬压力偏高问题，属于局部问题，不会对大坝安全造成较大影响，但仍需加强监测，这一点与实际勘测情况相同。综合表明，混凝土大头坝现阶段满足稳定运行要求。

3.2坝体应力分布

计算得到的混凝土大头坝应力分布情况如图2所示。

图2　应力等值线分布(单位：MPa)

分析图2中应力等值线分布情况可知，混凝土大头坝坝体局部出现应力集中现象，应力集中部位主要为坝踵、上游折坡以及坝体空腔附近；混凝土单支墩头部应力分布状况较为复杂，分析认为此处应力集中为裂缝出现的主要原因；结合上述计算结果可知，支墩头部最大拉应力值为0.11MPa，小于混凝土安全允许值，联系大坝多年运行状况，分析认为支墩头部应力不会对坝体构成开裂威胁。

4结语

混凝土大头坝结构具有特殊性，运用传统力学计算方法直接对混凝土大头坝进行应力计算存在难度，对坝体应力计算中可借助AUTOCAD建模与超单元剖分模型，对节点进行有限元计算。通过对桓仁水电站混凝土单支墩大头坝三维有限单元计算得到，大头坝混凝土坝踵、坝趾应力值均在安全允许范围内，坝体稳定性符合要求，虽局部存在扬压力偏高与应力集中现象，但结合大坝运行现状分析认为大坝运行状态正常，安全性在使用要求范围内。

参考文献

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