拱坝加切角措施对坝肩拉应力的影响研究

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(西安理工大学 水利水电学院， 西安 710048)

拱坝加切角措施对坝肩拉应力的影响研究

简威，李守义，顾冬冬

(西安理工大学 水利水电学院， 西安 710048)

拱坝是空间壳体结构，体型较为复杂，拉应力过大会导致坝肩失稳甚至溃坝。大量的工程经验表明，拱坝最大主应力常出现在坝肩处，坝肩拉应力的大小直接影响大坝的安全运行。为有效减小坝肩拉应力，采用ANSYS有限元等效应力法，建立拱坝整体有限元模型，对模型施加静水压力、泥沙压力、扬压力、重力、弧门推力等荷载，研究已有高拱坝工程中拱坝坝体结构设计中的加切角问题，分析拱坝在正常温升、正常温降2种运行情况下拱坝坝肩受力情况，与在同种运行情况下与不加切角拱坝作对比分析。结果表明：加切角可有效改善拱坝坝肩受力情况，降低坝肩拉应力。研究成果可为减小拱坝坝肩拉应力设计和实际施工提供参考依据。

拱坝；加切角；等效应力；坝肩拉应力;有限元模型

拱坝具有体积小、工程量省、潜在安全度高、超载能力强等诸多优点，在坝工建设中已得到越来越广泛的应用[1-2]。拱坝坝肩拉应力的大小直接影响拱坝正常运行和稳定性，坝肩破坏可导致溃坝[3]。由于拱坝近基础部位存在明显的应力集中，国内外主要采用有限元法等效应力法计算拱坝应力,但针对改善拱坝坝肩拉应力的措施研究较少[4-7]。拱坝加切角措施是将与拱端接触的部分岩基置换成大坝混凝土，置换的混凝土块体称为切角。论文以某碾压混凝土拱坝为例，基于有限元等效应力法对拱坝坝肩不加切角、拱端加切角进行有限元建模及应力分析计算。以期为拱坝设计和施工提供理论依据。

1 工程实例

1.1 工程概况

某碾压混凝土拱坝体型采用抛物线双曲拱坝，按1级建筑物设计。拱坝坝顶高程为646.0 m，坝底高程501.0 m，最大坝高145.0 m，坝顶宽9.0 m，坝底厚39.79 m。坝顶上游弧长467.918 m，最大中心角92.62°。正常蓄水位为643.00 m ,相应下游无水。淤沙高程为530.00 m，淤沙浮容重为8 kN/m3，淤沙内摩擦角为14°。多年平均最大风速为16.1 m/s，50 a最大风速为20.3 m/s，吹程为2.2 km。

1.2 切角的概念

拱坝加切角措施是将拱坝岸坡岩体超开挖部分用混凝土回填，超开挖部分回填的混凝土块体称为拱坝切角，见图1。切角的作用主要有：①像拱坝垫座一样，切角加大了水平拱圈坝肩的断面面积和拱刚度，从而降低坝体坝肩的应力，改善坝肩的稳定性；②下游的切角在施工期与运行期，能方便运送材料、设备，对行人的往来来说，更是重要的通道；③在切角部位，拱坝的上、下游切角还可以作为架立及更好固定模板的平台，设切角可以节省立模；④每一层拱圈浇筑的时候，加大了工作平台的面积。

图1 拱坝加切角措施Fig.1 Schematic diagram of concrete backfill measure for the over excavation of arch dam

1.3 数值模拟假定

计算基本假定：①材料为均质弹性、各向同性的连续体，不考虑钢筋和混凝土的应力重分布[8]；②对比加切角与不加切角2种坝体方案施工技术，外界影响条件一致；③不考虑地基的不均匀沉降。各材料热力学参数如表1所示。

1.4 计算模型

采用ANSYS有限元计算软件，考虑到地基对拱坝坝体应力的影响，取拱坝整体作为拱坝应力控制仿真计算模型，计算范围为左右坝肩山体各取约1倍坝高，地基向上游河道延伸约1倍坝高，高度取150 m，向下游河道延伸2倍坝高，高度取为300 m，沿着坝基面往下延伸150 m。其中地基上、下游面以及左右面为法向约束，坝基面为三向约束[9]。把坝体上、下游面看作自由边界，不考虑横缝对坝体的影响[10]。

表1 各材料热力学试验参数Table 1 Parameters of thermodynamics of each material

注：不考虑地基不均匀沉降，岩体重度取0

计算模型应用的坐标系为：x轴正方向为顺水流方向；y轴正方向为铅直向上方向；z轴正方向为垂直水流且指向右岸方向。坐标系原点位于拱冠梁剖面上游的顶部，高程为646.00 m。整体模型网格划分选用solid 65单元，不加切角模型节点总数505 961个，单元总数328 441个；加切角模型节点总数509 718个，单元总数331 906个。计算模型如图2所示。

图2 计算模型Fig.2 Computation model

1.5 计算工况及应力标准

基本组合：工况1，坝体自重+正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+温升；工况2，坝体自重+正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+温降；加切角和不加切角2种计算模型对于以上2种工况都需加相同的表、底孔弧门推力。

依据《混凝土拱坝设计规范》(SL 282—2003)应力控制指标规定，用有限元法计算时，应补充计算“有限元等效应力” 。按“有限元等效应力”求得的坝体主压应力和主拉应力应符合下列控制指标的规定：混凝土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，1，2级拱坝的抗压强度安全系数采用4.0。坝体应力控制标准为：基本荷载组合，主压应力≤6.25 MPa；主拉应力≤1.5 MPa。

2 计算结果与分析

计算结果表明拱坝加切角对坝肩拉应力的影响很大，由于存在部分应力集中现象，坝肩应力采用有限元等效应力计算法。

2.1 工况1计算结果与分析

工况1第1主应力见图3。

图3 工况1不加切角和加切角模型第1主应力比较Fig.3 Comparison of first principal stress in case 1 between arch dam model with and without backfill concreta

由图3可知:工况1加切角坝体模型的最大主拉应力值为5.05 MPa,拱坝上游面主拉应力>1.5 MPa的区域分布在坝体上游面与地基交接部位，分布范围为高程501～586 m；不加切角工况的最大主拉应力为7.83 MPa,拱坝上游面主拉应力>1.5 MPa的区域分布在坝体上游面与地基交接部位，分布范围为高程501～611 m。工况1坝肩最大等效应力见表2。

表2 工况1坝肩最大等效应力Table 2 Values of maximum equivalent stress at dam abutment in case 1

工况1各部位x，y，z3个方向最大位移见表3。

表3 工况1各部位x,y,z 3个方向最大位移Table 3 Values of maximum displacement of different positions in direction x,y,and z in case 1 mm

注：x+，y+，z+分别代表3个方向的正方向；x-，y-，z-分别代表3个方向的负方向,下同

工况1中各个面上的等效应力呈现出应力变化趋势一致，不加切角方案最大主拉应力为1.43 MPa，出现在541 m右岸坝肩，能满足拉应力控制标准；加切角方案坝肩最大主拉应力为1.23 MPa，出现在561 m右岸坝肩，坝肩能满足拉应力控制标准；加切角方案大大减小了坝肩的拉力。

2.2 工况2计算结果与分析

工况2第1主拉应力见图4。

图4 工况2不加切角和加切角模型第1主应力比较Fig.4 Comparison of first principal stress in case 2 between arch dam model with and without backfill block

由图4可知：工况2加切角坝体模型的最大主拉应力为4.56 MPa,拱坝上游面主拉应力>1.5 MPa的区域分布在坝体上游面与地基交接部位，分布范围为高程501～541 m；不加切角工况的最大主拉应力图上显示值为7.78 MPa,拱坝上游面主拉应力>1.5 MPa的区域分布在坝体上游面与地基交接部位，分布范围为高程501～641 m。工况2坝肩最大等效应力见表4。

表4 工况2坝肩最大等效应力Table 4 Values of maximum equivalent stress at dam abutment in case 2

工况2各部位x，y，z3个方向最大位移见表5。

工况2中各个面上的等效应力呈现出应力变化趋势一致，不加切角方案坝肩最大主拉应力为1.51 MPa，出现在541 m右岸坝肩，坝肩不能满足压应力控制标准。加切角方案坝肩最大主拉应力为1.36 MPa，出现在561 m右岸坝肩，能满足拉应力控制标准；加切角方案大大减小了坝肩的拉力，且减小了各部位x,y,z方向的最大位移。

表5 工况2各部位x,y,z 3个方向最大位移Table 5 Values of maximum displacement of different positions in direction x,y,and z in case 2 mm

由上述两个工况的成果可知，在两岸坝肩增加切角后，扩大了两岸坝基的接触面，岩体超开挖部分用混凝土回填既保证了坝体的整体性，也增大了与两岸的咬合力，当荷载作用于拱坝时，单位面积上的压力减小了，所以整体上应力呈现有规律的减小趋势。

(1) 坝肩未切角与加切角2个方案在相同荷载作用下的计算成果应力变化趋势基本类似，坝体应力分布规律相似，但加切角方案比不加切角方案应力大大减小。

(2) 不加切角方案的压应力的最大值在下游坝面处产生，高压应力主要出现在坝底坝趾处，局部出现压应力超出允许范围，不能满足设计规范的要求；而加切角的方案压应力的最大值也出现在坝面下游处，且最大的拉、压应力都在规范许可范围内。因此，坝体的压应力是满足设计规范要求的，加切角方案有助于对坝体的压应力的减小。

3 结 语

(1) 2个方案不同工况下的应力成果表明，坝体坝肩的加切角处理方案对坝体坝肩的应力减小有利，且对减小基础开挖工程量非常有利。

(2) 拱坝坝体加切角措施可有效减小坝肩拉应力，防止坝肩开裂破坏，使大坝安全运行，计算结果为拱坝设计和施工提供了重要理论依据。

(3) 坝肩切角部位主拉应力比较大，可就切角部分使用高强度混凝土，既节约了工程造价，又有利于坝肩拉应力的减小。

(4) 坝肩切角的尺寸大小不明确，接下来需要解决的难题是对切角进行尺寸优化，找出一个适合坝体的尺寸，在混凝土用量尽可能少的情况下使坝肩拉应力减少效果最佳。

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(编辑：姜小兰)

Effect of Concrete Backfill on Tensile Stress inthe Abutment of Arch Dam

JIAN Wei,LI Shou-yi,GU Dong-dong

(Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

Arch dam is a shell structure in space with complex shape.Large tensile stress would lead to instability or even failure of the arch dam.Engineering experiences show that the maximum principal stress of arch dam often appears at the abutment,and tensile stress in the abutment directly affects the safe operation of dam.In the aim of effectively reducing the tensile stress of arch dam,a concrete backfill measure for the over excavation of bank slope is proposed,and the stress conditions of dam abutment in temperature rise and drop conditions in the presence of backfill are compared with those in the absence of backfill.ANSYS the finite element equivalent stress method was employed to establish the integral finite element models of arch dam subjected to hydrostatic pressure,silt pressure,uplift pressure,gravity,thrust of radial gate and so on.Results indicate that backfill could effectively improve the force situation of abutment and reduce the tensile stress in the abutment.The results offer reference for the design and construction of reducing tensile stress in the abutment of arch dam.

arch dam; concrete backfill; equivalent stress; tensile stress in abutment; finite element model

TV642.45

A

1001-5485(2017)10-0145-04

2016-06-16；

2016-08-30

简 威(1992-)，女，江西宜春人，硕士研究生，主要从事水工结构分析及数值仿真研究，(电话)15667080087(电子信箱)491929622@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160615 2017,34(10):145-148