华亭县车厂沟水库主坝结构应力复核计算

潘彩霞　樊尚斌

摘 要：车厂沟水库是华亭县一座以灌溉为主的Ⅴ等小（2）型水库，大坝主坝型为浆砌石重力拱坝，基本剖面为梯形单曲厚拱，上游面基本垂直，下游坝坡坡度为1：0.35，本文通过拱冠梁法的计算，并对大坝及其相关部位进行三维有限元分析，按两种工况下有限元等效应力法求出的拱坝上、下游面最大主拉应力和最大主压应力及其出现的位置，计算结果表明，在各种静力荷载组合工况下，拱坝的最大主拉应力和最大主压应力都小于相应的容许值，满足规范要求。

关键词：主坝；结构应力；复核；计算

中图分类号：TV64 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）16-0080-02

1 车厂沟水库概况

车厂沟水库原设计是一座以灌溉为主的Ⅴ等小（2）型水，总库容24.59×104m3，兴利库容20.6×104m3，水库枢纽建筑物主要有浆砌石重力拱坝（含坝身泄水孔）、粘土心墙副坝、生活供水引水口等。

2 基本资料

2.1 特征水位及流量

水库设计死水位为2000.50m，现状死水位为2014.90m；正常蓄水位为2021.50m；20年一遇的设计水位为为2021.90m，最大入库流量为31.14m3/s，相应的最大下泄流量为30.73m3/s；100年一遇的校核水位为为2024.47m，最大入库流量为138.64m3/s，相应的最大下泄流量为133.90m3/s。

2.2 地震设防烈度

根据《中国地震动峰值加速度区划图》和《中国地震动反应谱特征周期区划图》，该区地震动峰值加速度为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.45s，对应的地震基本烈度为Ⅷ度。

2.3 主坝基本参数

车厂沟拱坝结构浆砌石、坝基岩石等各材料的主要物理力学参数如下：

（1）坝体材料。本次计算将坝体材料性质等效为均质材料。弹性模量E=2.3×104MPa，泊桑比μ=0.23；重度γ=23.5KN/m3；线膨胀系数6×10-6/℃。

（2）岩石基础。基岩以砂砾岩、砾岩为主。弹性模量E=2.0 ×104MPa；泊桑比μ=0.23；重度γ=0.0KN/m3。在静力计算时不考虑地基的自重，故天然地基的重度取0.0KN/m3。

3 主坝应力控制标准

用拱梁分载法计算时，坝体的主压应力和主拉应力应符合以下要求：

（1）浆砌石体容许压应力的安全系数，对于基本荷载组合，采用3.5；对于特殊荷载组合，采用3.0。（2）浆砌石拱坝计算拉应力如下控制：块石砌体在胶结材料为80#水泥砂浆时中央悬臂梁底的控制拉应力为1.0MPa，其他部位为0.8MPa；压应力容许值在基本荷载下为4.3MPa，在特殊荷载下为5.0MPa。当采用拱冠梁法计算时，拱和梁的法向应力应满足上述对应的应力指标。

4 主坝应力计算

4.1 荷载工况

计算中主要考虑坝体自重、上游库水压力、温度荷载三种主要荷载组合。针对拱坝的实际工作性态，本次分别计算了以下两种工况。

工况1：水库正常蓄水位（2021.50m）+正常温降+坝体自重+泥沙；

工况2：水库正常蓄水位（2021.50m）+正常温降+坝体自重+泥沙+地震。

4.2 拱冠梁法复核坝体应力

拱冠梁法采用程序计算，程序在编写时温度荷载按美国垦务局经验公式计算，仅考虑均匀温降情况。

（1）计算成果。根据计算程序要求，坝体高度以3.3m等分为7层拱，对上述计算模型利用拱冠梁法进行计算，得出该拱坝在不同荷载工况下拱冠、拱端部位以及梁向应力。规定应力以压为正，以拉为负。相应的计算成果见表1、表2。

（2）结果分析。拱圈：在上游面的主应力均很小，最大主应力为0.54MPa，出现在拱端最下层，表现为拉应力。下游面最大主应力为0.55MPa，出现在拱端最上层，表现为压应力。在上游面坝高约1/4处，拱冠正应力出现了负值，由压应力改变为拉应力，而下游面多为拉应力。拱端上游面多表现为拉应力，下游面则为压应力。应力值均很小，在容许范围之内。拱冠梁：上游面坝踵处均出现最大拉应力，最大值为0.84MPa，未超过规范允许值（1.0MPa），坝体拉应力满足要求，但富裕度不大。下游面均表现为压应力，在容许值内。

由表1、表2中看出，拱冠上游侧多出现压应力，下游侧多为拉应力；拱端上游侧多出现拉应力，而拱端下游侧多出现压应力。符合温降下拱坝的变形应力规律，且应力均未超过规范允许值，坝体主应力满足安全要求。

4.3 有限单元法复核坝体应力

为了进一步复核坝体强度与验证拱冠梁法的计算结果，并校核大坝的抗滑稳定，有必要对大坝及其相关部位进行三维有限元分析。

（1）坝体应力分析。经计算，拱坝结构在静力工况荷载作用下坝体产生的拱梁拉压应力峰值和最大、最小主应力值及其出现的位置见表3。

计算工况一结果表明：拱坝的拱向拉应力峰值位置出现在坝底靠近上游面处，峰值为0.51MPa；梁向拉应力峰值位置出现在坝底靠近上游面处，峰值为1.38MPa；最大主应力峰值位置出现在坝底靠近上游面处，峰值为1.94MPa。拱坝的拱向压应力峰值位置出现在泄水口附近处，峰值为-1.43MPa；梁向压应力峰值位置出现在坝底靠近下游面处，峰值为-1.77MPa；最小主应力峰值位置出現在坝底靠近上游面处，峰值为-3.27MPa。

计算工况二结果表明：拱坝的拱向拉应力峰值位置出现在坝底靠近上游面处，峰值为0.53MPa；梁向拉应力峰值位置出现在坝底靠近上游面处，峰值为1.49MPa；最大主应力峰值位置出现在坝底靠近上游面处，峰值为2.06MPa。拱坝的拱向压应力峰值位置出现在泄水口附近处，峰值为-1.52MPa；梁向压应力峰值位置出现在坝底靠近下游面处，峰值为-1.90MPa；最小主应力峰值位置出现在坝底靠近上游面处，峰值为-3.43MPa。

在计算工况条件下，拱坝大部分区域都处于受压状态，除拱端、坝底以及两岸坝肩附近出现应力集中现象外，其他区域应力分布都比较光顺。从上表可以看出：两个工况计算出来拱坝的拉压应力值均比较小，满足规范要求，故结构强度满足设计要求。

（2）拱坝等效应力计算成果与分析。按照规范要求将有限元计算得到的应力转化为“有限元等效应力”，以消除应力集中的影响。表4给出了在两种工况下按有限元等效应力法求出的拱坝上、下游面最大主拉应力和最大主压应力及其出现的位置，并根据规范给出了容许应力值。

5 计算结果分析

坝体浆砌石抗压强度为16.8MPa。根据规范，混凝土有限元等效应力的容许压应力等于混凝土的极限抗压强度除以安全系数，对于基本荷载组合，2级拱坝的安全系数采用4.0；对于非地震情况特殊荷载组合，2级拱坝的安全系数采用3.5。对于基本荷载组合，拉应力不得大于1.5MPa；对于非地震情况特殊荷载组合，拉应力不得大于2.0MPa。

计算结果表明，在各种静力荷载组合工况下，拱坝的最大主拉应力和最大主压应力都小于相应的容许值，满足规范要求。表明现状拱坝结构质量合格（不存在失稳等问题）。

参考文献

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