Influences of Foundation Deformation Modulus to Stress Distribution of Roller Compacted Concrete Arch Dam
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摘要: 以贵州省鱼简河水利工程为背景, 在拟定坝址区地质模型和边界条件的基础上, 建立拱坝与地基相互作用的三维数学力学模型, 应用ANSYS软件研究不同变形模量对拱坝应力分布的影响.结果表明: (1) 最大主应力主要分布于坝底部位及软弱夹层附近; (2) 中间软层变形模量的大小对拱端与拱冠应力影响较大; 中间软弱层变形模量小于0.5 GPa时, 其应力差异较大; (3) 当地基为3种材料时, 最大拉压应力不是位于中间软弱层的顶部, 而是位于距离软弱层顶约10~15 m的位置, 这一结论对拱坝优化设计与坝基处理提供很好的理论依据.Abstract: With Yujianhe hydraulic engineering as the background and on the basis of geological module and boundary conditions of Liding dam, a 3-D mathematic and mechanical module was constructed to study the influence of different deformation modules on stress distribution by ANSYS software.The result indicates: (1) The maximum principal stresses are chiefly distributed at the bottom of the dam and close to weak intercalated layers; (2) The deformation module of weak intercalated layers affects the stresses of abutment and crown of the arch, and when it is less than 0.5 GPa, the differences of stresses are obvious; (3) When the foundation is composed of three materials, the maximum tensile and compressive stresses exist about 10-15 m to the top of the weak intercalated layers rather than at the top of them.This conclusion provides a theoretical basis for the optimal design for arch dam and dam treatment.
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0. 引言
在建的贵阳市息烽县鱼简河水库水利工程为贵阳市重要的水利工程, 水库总库容1 050万m3, 大坝为碾压混凝土双曲拱坝, 坝高81 m, 坝顶高程1 062 m, 坝底高程981 m.水库正常蓄水位1 057 m, 校核洪水位1 061 m.
坝址区出露地层从上至下依次为: 中三叠统狮子山组T2sh1-1中-厚层状灰岩、白云质灰岩、白云岩; 中三叠统松子坎组T2s3-2薄-中厚层状泥晶灰岩、泥质白云岩和杂色钙质泥(页) 岩互层, 顶部有厚约7 m的软弱层; 中三叠统松子坎组T2s3-1中厚层状微晶灰岩夹少量杂色泥(页) 岩.坝基岩体按其力学性质可概化为“硬—软—硬”三层结构, 中间软层变形模量的大小对拱坝优化设计起着至关重要的作用.
国内外许多学者结合不同的工程从拱坝与地基相互作用的角度研究坝体与地基应力分布特征做了许多工作.如法国Coyne et Bellier公司(Carrere et al., 1987)、柴军瑞和仵彦卿(2000)对龙滩水电站从拱坝与地基相互作用的角度研究应力分布, 优化拱坝设计. 王亮清等(2003, 2004)和张宜虎等(2005)在研究贵州省鱼简河水库坝址区地质模型与参数的基础上, 建立拱坝与地基相互作用的数学力学模型, 进行稳定性分析; 钱向东等(2001)研究建基面强度对拱坝应力、变形的影响; 朱伯芳等(2002)从拱坝的作用机理与受力分析等方面对碾压混凝土拱坝进行系统研究.
本文在建立拱坝与地基相互作用的地质力学模型的基础上应用ANSYS软件模拟中间层变形模量变化对拱坝应力分布的影响.对坝基地质模型的建立充分考虑岩体结构特征与地基处理工作; 坝址区各岩组变形模量是在理论研究、室内外试验、参数估算与计算机模拟的基础上得出的, 能真实反映左右坝肩岩土体的真实变形特点.
1. 地质力学模型的建立
1.1 地质结构
经过施工图阶段的建基面地形测量、地质工作与统计分析, 根据岩体类别、风化程度、岩体基本质量与物理力学性质的不同, 将建基面处共分为15个区, 其中第6区和第10区岩性为黄色泥岩夹薄层泥质白云岩, 在建基面处的出露宽度为0.7~1.5 m, 平均厚度约1.0 m, 该层岩体虽然变形模量很小, 但厚度较小, 在设计与施工时采取混凝土传力墩和混凝土塞进行置换, 可以改善坝体的受力环境; 而第4区和第12区岩性为黄色中薄层至厚层泥质白云岩与泥岩互层, 在建基面处出露宽度为6.4~8.6 m, 岩体的变形模量较小, 对于坝工优化设计而言, 该层变形模量的大小是十分重要的.本节从建立地质模型的角度出发, 将坝基岩土体划分为3种材料, 分述如下: (1) 中三叠统松子坎组第二段第三层(T2s2-3) 至中三叠统松子坎组第三段第二层第一亚层(T2s3-2-1), 岩性为浅灰、土黄色薄至中厚层泥晶白云岩、泥质白云岩与杂色页岩互层; (2) 中三叠统松子坎组第三段第二层第二亚层(T2s2-3-2), 岩性为黄色中薄层泥质白云岩与泥岩互层, 厚度7.0 m; (3) 中三叠统狮子山组第一段(T2sh1), 岩性为中-厚层灰岩、白云质灰岩、白云岩.
1.2 模拟范围及边界条件
模拟范围根据坝址区工程地质条件并结合拱坝结构设计确定.模型区底边界为固定边界, 前、后、左、右边界为高程方向(Z) 有位移, 其他方向固定的铰支边界.三维几何模型见图 1, 模拟区力学模型及网格剖分见图 2.
1.3 计算参数
在综合前面研究成果的基础上, 结合地质模型的需要, 计算参数如表 1.泥砂的内摩擦角φ=12°, 泥砂的浮容重γn=12 kN/m3.
表 1 材料物理力学参数Table Supplementary Table Physico-mechanical parameters of the materials
1.4 荷载的确定
(1) 自重.混凝土的自重作为体积力作用于坝体; (2) 静水压力.上游水位按荷载组合所规定的特征水位计算, 下游面为相应的不利下游水位, 水的容重取9.81 kN/m3; (3) 泥砂压力.作用在坝面单位长度上的泥砂压力按主动土压力计算:
(1) 式中, Psk为泥砂压力, kN/m; hs为坝前泥砂淤积高程, m; γsb为泥砂浮容重, kN/m3; γsd为泥砂干容重, kN/m3; γw为水的容重, kN/m3; n为泥砂的孔隙率; ϕ为泥砂的内摩擦角(°).
1.5 荷载组合
本节主要讨论地基变形模量对拱坝应力场分布的影响情况, 荷载组合选择特殊组合: 自重+校核洪水位及相应的下游水位+泥砂压力.
1.6 计算工况
为了解地基变形对拱坝应力的影响, 共计算以下几种工况: (1) 地基是刚性的, Em=10 Ec; (2) 地基弹性模量为混凝土弹性模量的1/10, Em=Ec/10(柔性基础); (3) 地基分为3层, 中间层的变形模量分别取0.05、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 GPa, 上下两层的变形模量分别为9 GPa与5 GPa.
2. 变形模量对拱坝应力的影响
2.1 对最大主应力σ1的影响
计算成果见图 3, 由图可知: (1) 从整体上讲, 最大主应力主要分布于拱坝与地基的交界面附近及软弱层附近; 但拱坝上下游界面与地基的交界面附近及软弱层附近的应力分布特征不同; 由于结构不对称与河谷不对称, 导致左右坝肩交界面附近相同高程位置处的最大主应力分布特征不同. (2) 当为柔性或刚性地基时, 交界点上游坝面左右坝肩均为拉应力, 应力大小随坝体高程的增大而减小; 当中间层岩体的变形模量由0.05 GPa逐渐增加时, 在中间软弱层附近出现一拐点, 该点位于1 021 m高程处, 拐点位置应力值随中间层的变形模量增加而减小, 当中间层变形模量为0.05 GPa时, 交界点上游坝面左坝肩最大拉应力值为3.44 MPa, 交界点上游坝面右坝肩最大拉应力值为2.83 MPa; 当中间层变形模量为2.50 GPa时, 交界点上游坝面左坝肩最大拉应力值为1.948 MPa, 交界点上游坝面右坝肩最大拉应力值为2.00 MPa.对于左坝肩而言, 软弱层分布的最高高程为1 005.8 m, 最低高程为995.1 m; 对于右坝肩而言, 软弱层分布的最高高程为1 006.7 m, 最低高程为993.9 m; 从最大拉应力分布情况来看, 最大拉应力距离软弱层顶部14.3~15.2 m, 即位于第3区与第13区的浅灰色中厚层泥晶灰岩、白云质灰岩中.当为刚性地基时, 交界点下游坝面左右坝肩均为压应力; 当地基为柔性时, 交界点下游坝面除右坝肩1 045 m以上, 左坝肩1 040 m以上为拉应力区外, 交界点其余部位为压应力; 当地基为3种材料时, 随着中间层变形模量的增加, 交界点下游坝面左右坝肩的拉压应力分界点向坝底方向移动.拱冠剖面上、下游坝面拉压应力分界所对应的高程分别为1 013 m与1 016 m; 对于上游面而言, 1 013 m高程以上为压应力区, 以下为拉应力分布区; 而对于下游面而言, 1 016 m高程以上为拉应力区, 以下为压应力分布区.随着中间层变形模量的增加, 拱冠剖面处拉压应力的绝对值呈增大趋势.
图 3 基础变形模量对上游坝面交界点、下游坝面交界点与拱冠剖面处最大主应力的影响(Em为混凝土的弹性模量)Fig. 3. Influences of deformation module of foundation on the maximum principal stress of the intersection of upper stream dam, lower stream dam and section of arch crown2.2 对最小主应力σ3的影响
计算成果见图 4, 由图可知: (1) 整体讲, 最小主应力主要分布于拱坝与地基的交界面附近及软弱层附近; 但拱坝上下游界面与地基的交界面附近及软弱层附近的应力分布特征不同; 由于结构不对称与河谷不对称, 导致左右坝肩交界面附近相同高程位置处的最小主应力分布特征不同. (2) 当为柔性或刚性地基时, 除右坝肩坝顶位置为拉应力外, 其余部位为压应力. (3) 拱冠剖面上、下游坝面除坝底与软弱层附近为拉应力外, 其余部位为压应力分布区.
图 4 基础变形模量对上游坝面交界点、下游坝面交界点与拱冠剖面处最小主应力的影响Fig. 4. Influences of deformation module of foundation on the minimum principal stress of the intersection of upper stream dam, lower stream dam and section of arch crown2.3 对垂直应力σz 的影响
计算成果见图 5, 由图可知: (1) 整体讲, 垂直应力最大值主要分布于拱坝与地基的交界面附近及软弱层附近; 但拱坝上下游界面与地基的交界面附近及软弱层附近的应力分布特征不同; 由于结构不对称与河谷不对称, 导致左右坝肩交界面附近相同高程位置处的垂直应力分布特征不同. (2) 当为刚性基础或柔性基础时, 交界点上游坝面铅直应力为拉应力, 其大小随高程的增大而减小, 交界点下游坝面铅直应力由坝顶拉应力转为坝底压应力.当基础为3层材料且中间层材料变形模量大于2.0 GPa时, 交界点上游坝面铅直应力自坝顶至坝底拉应力呈现逐渐增大的趋势; 中间层变形模量小于2.0 GPa时, 铅直应力在上游坝面软弱层部位出现拐点, 对于上游坝面左坝肩而言, 拐点位于1 021.0 m高程处, 拐点位置处的最大拉应力值为1.23 MPa, 对于上游坝面右坝肩而言, 拐点位于1 016.0 m高程处, 拐点位置处的最大拉应力值为0.79 MPa; 中间层变形模量小于0.1 GPa时, 在上游坝面右坝肩软弱层部位出现压应力.交界点下游坝面左右坝肩交界点处均为压应力分布区.对于右坝肩而言, 软弱层分布的最高高程为1 006.7 m, 最低高程为993.9 m; 从垂直应力分布情况来看, 压应力最大值距离软弱层顶部9.3~10.2 m (上游坝面右坝肩) 与14.3~15.2 m (上游坝面左坝肩), 即位于第3区与第13区的浅灰色中厚层泥晶灰岩、白云质灰岩中. (3) 拱冠节点上游坝面1 013 m高程以上为压应力区, 以下为拉应力区; 对于上游坝面而言, 最大压应力位于1 013 m高程处, 值为-1.71 MPa (负号表示压应力); 拱冠节点下游坝面高程1 023 m以上为拉应力区, 以下为压应力区; 对于下游坝面而言, 最大压应力位于1 007 m高程处, 值为-2.93 MPa (负号表示压应力).随着变形模量的增加, 拉压应力的分界点向坝顶方向移动.
图 5 基础变形模量对上游坝面交界点、下游坝面交界点与拱冠剖面处铅直应力的影响Fig. 5. Influences of deformation module of foundation on the vertical stress of the intersection of upper stream dam, lower stream dam and section of arch crown3. 结论
本文在综合分析坝址区工程地质条件与地基岩体地质结构的基础上, 建立拱坝与地基相互作用的数学力学模型, 应用大型数值分析软件(ANSYS) 进行三维有限单元法模拟, 得出以下结论: (1) 与一般的拱坝应力分析比较有2个特点, 其一为对坝基地质模型的建立充分考虑岩体结构特征与地基处理工作; 其二为坝址区变形模量是在理论研究、室内外试验、参数估算与计算机模拟的基础上得出的, 能真实反映左右坝肩岩土体的真实变形特点. (2) 最大主应力主要分布于坝底部位及软弱夹层附近. (3) 中间软层变形模量的大小对拱端与拱冠应力影响较大; 中间软弱层变形模量小于0.5 GPa时, 其应力差异较大. (4) 当地基为3种材料时, 最大拉压应力不是位于中间软弱层的顶部, 而是位于距离软弱层顶约10~15 m的位置, 这一结论对坝基处理提供很好的理论依据.
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图 3 基础变形模量对上游坝面交界点、下游坝面交界点与拱冠剖面处最大主应力的影响(Em为混凝土的弹性模量)
Fig. 3. Influences of deformation module of foundation on the maximum principal stress of the intersection of upper stream dam, lower stream dam and section of arch crown
图 4 基础变形模量对上游坝面交界点、下游坝面交界点与拱冠剖面处最小主应力的影响
Fig. 4. Influences of deformation module of foundation on the minimum principal stress of the intersection of upper stream dam, lower stream dam and section of arch crown
图 5 基础变形模量对上游坝面交界点、下游坝面交界点与拱冠剖面处铅直应力的影响
Fig. 5. Influences of deformation module of foundation on the vertical stress of the intersection of upper stream dam, lower stream dam and section of arch crown
表 1 材料物理力学参数
Table 1. Physico-mechanical parameters of the materials
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