水利工程論文-六庫(kù)水電站RCC縱向圍堰堰基應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定性分析摘要：采用二維和三維非線性有限元分析方法，研究了六庫(kù)水電站RCC縱向圍堰堰基應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上對(duì)防滲墻各截面的剪力、軸力和彎矩進(jìn)行計(jì)算研究，提出了配筋方案。計(jì)算表明，堰體位移大，堰體與防滲墻接頭處附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，防滲墻的防滲效果顯著，分載作用明顯，右防滲墻承受的彎矩更大些，應(yīng)加大其配筋率。關(guān)鍵詞：有限元圍堰應(yīng)力應(yīng)變防滲墻配筋率StressandStabilityAnalysisofLongitudinalRCCCofferdamFoundationofLiukuHydropowerStationAbstractThestressstateandstabilityoflongitudinalRCCcofferdamfoundationofLiukuhydropowerstationarestudiedusing2Dand3Dnon-linearfiniteelementmethod.Thentheshear、axialforceandbendingmomentofgoverningsectionsofanti-seepagewallsarestudied.Theresultshowsthatthemovementofcofferdamislargeandthestressconcentratesinjointofcofferdamandanti-seepagewalls.Besides,leakage-preventionandload-carryingcapacityofanti-seepagewallscanmeetengineeringrequirementandthesteelreinforcementrateofrightanti-seepagewallshouldbeincreasedduetoitslargerbendingmoment.Keywordsfiniteelementmethod，cofferdam，stress，deformation，anti-seepagewalls,steelreinforcementrate一工程概況六庫(kù)水電站壩址區(qū)位于云南省怒江州首府六庫(kù)城上游4.5km處的怒江“U”型峽谷中，江水流向由北東轉(zhuǎn)為南西流出壩址。六庫(kù)水電站為河床式電站。樞紐工程總體呈“一”字型布置，主體建筑物由混凝土重力壩、溢流壩、泄洪沖砂閘、主、副廠房等部分組成?？v向碾壓混凝土圍堰為永久建筑物，工程導(dǎo)流結(jié)束后不再拆除?？v向碾壓混凝土圍堰左側(cè)設(shè)有4孔7.5m10.0m沖砂孔，底板高程798.0m，建基面高程794.5m。為了滿足加固邊坡、防止堰基掏刷及基礎(chǔ)防滲要求，在堰基部位設(shè)置兩道鋼筋混凝土防滲墻（連續(xù)墻）?？v向圍堰堰基座于沖積層上，沖積層厚度為15m20m，基巖為擠壓破碎巖體，厚25m30m，以散體結(jié)構(gòu)為主。沖積層滲透系數(shù)K=27.58m/d5.69m/d,屬?gòu)?qiáng)中等透水性。沖積層以下為灰質(zhì)粉晶白云巖。該地段分布的斷層有F4、F5、F2-1，它們和圍堰軸線成大角度斜交，呈陡傾角穿過(guò)堰基。由于特殊的地質(zhì)條件和巖層分布，六庫(kù)水電站縱向碾壓混凝土圍堰基礎(chǔ)穩(wěn)定是本工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。二有限元分析原理2.1巖體強(qiáng)度與本構(gòu)模型六庫(kù)水電站縱向圍堰堰基主要由軟弱的砂卵礫石層和下伏散體結(jié)構(gòu)組成，其特點(diǎn)是變形和強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)低，易于發(fā)生塑性流動(dòng)和屈服。為此，本次有限元分析采用低抗拉的巖體彈塑性本構(gòu)模型開(kāi)展研究。按低抗拉彈塑性模型分析，壩基巖體材料開(kāi)裂條件用宏觀強(qiáng)度描述:表1巖體物理力學(xué)參數(shù)表序號(hào)巖體代號(hào)變模E（GPa）泊桑比容重（t/m3）抗剪斷強(qiáng)度滲透系數(shù)fC（MPa）K10-7（m/s）1砂卵礫石QAL-20.0480.352.10.5250.014757.02散體結(jié)構(gòu)T2H0.0400.2802.700.3750.0578.73斷層0.0400.3502.100.3500.0350.014圍堰砼25.00.1672.451.100.9010-65鋼筋砼防滲墻26.00.1672.451.100.900.016鋼筋砼防滲隔板26.00.1672.451.100.900.017沖砂閘砼25.00.1672.451.100.9010-6825.00.1672.451.100.9010-69墊層砼25.00.1672.451.100.9010-6(i=1,2,3)式中ii表征應(yīng)力張量三個(gè)主應(yīng)力，分析中可能呈單向、雙向及三向開(kāi)裂情況，由程序自行校核并進(jìn)行剛度修正。巖體是否進(jìn)入塑性狀態(tài)，按Druker-Prager準(zhǔn)則判別：（2）式中I1和J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和偏斜應(yīng)力張量的第二不變量，k是與巖體材料摩擦系數(shù)tg和凝聚力C有關(guān)的常數(shù)，由下式計(jì)算：（3）彈塑性矩陣為：（4）式中：2.2軟弱結(jié)構(gòu)面非線性分析模型按層面法向抗拉材料分析，剪切滑移按Mohr-Coulomb條件校核：（5）式中Cj和tgj分別為軟弱夾層抗剪強(qiáng)度參數(shù)。對(duì)于破碎帶寬度較大的斷層，按不抗拉彈塑性材料分析，是否進(jìn)入塑性狀態(tài)的判別條件仍采用Drucker-Prager準(zhǔn)則，只是材料摩擦系數(shù)和凝聚力改用斷層的相應(yīng)值，本構(gòu)矩陣仍沿用（4）式。2.3縱向圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法在巖體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)中，常常采用以下三種穩(wěn)定安全系數(shù)評(píng)價(jià)方法：（1）點(diǎn)強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)（2）基礎(chǔ)整體抗滑安全系數(shù)：包括超載安全系數(shù)、強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)以及兼顧超載和強(qiáng)度儲(chǔ)備的綜合安全系數(shù)。（3）基礎(chǔ)抗滑安全系數(shù)的條分法，例如瑞典圓弧法。本次有限元分析以強(qiáng)度儲(chǔ)備法為穩(wěn)定安全性的主要評(píng)價(jià)方法，并輔以瑞典圓弧法。強(qiáng)度儲(chǔ)備法計(jì)算的基本方法是假定荷載不變，通過(guò)逐級(jí)下浮巖體強(qiáng)度參數(shù)，分析堰基變形破壞演變發(fā)展過(guò)程與超載倍數(shù)的關(guān)系，尋求堰基整體滑移時(shí)相應(yīng)的巖體強(qiáng)度參數(shù)下浮倍數(shù)Kc，即作為堰基整體抗滑穩(wěn)定的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。三計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)3.1計(jì)算模型本次二維計(jì)算主要針對(duì)六庫(kù)水電站縱向圍堰的四個(gè)典型剖面來(lái)進(jìn)行。如圖1所示選定坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸平行于縱向圍堰軸線，由下游指向上游；Y軸由左岸指向右岸；Z軸鉛直向上。圖2給出了剖面B的計(jì)算范圍，Z軸從720m取至地表，原點(diǎn)距縱向圍堰軸線水平距離111.749m，水平截取計(jì)算范圍170m。剖面B共計(jì)剖分節(jié)點(diǎn)541個(gè)，單元491個(gè)。沖積層、基巖、混凝土采用實(shí)體元模擬。在防滲墻與周圍基巖間布置了一層10cm厚夾層單元，以模擬剛度較大的防滲墻與相對(duì)軟弱的外周基巖間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。圖1縱向圍堰有限元計(jì)算范圍三維網(wǎng)格Y軸（橫河向）由左岸指向右岸，z軸鉛直向上，計(jì)算范圍與二維網(wǎng)格一致。X軸由下游指向上游。如圖1所示，共計(jì)切剖21個(gè)剖面，取順河向長(zhǎng)220m。計(jì)算模型考慮了5道防滲隔板。共計(jì)剖分節(jié)點(diǎn)10431個(gè)，單元9126個(gè)。圖3繪出了有限元三維網(wǎng)格立體圖。3.2巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)圖2剖面B材料分區(qū)圖各類巖層物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算選用值如表1所示。各類巖體抗拉強(qiáng)度Rt可由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則導(dǎo)出：其中：C為凝聚力，為內(nèi)摩擦角圖3縱向圍堰有限元三維網(wǎng)格立體圖四研究方案在本次六庫(kù)水電站縱向圍堰堰基穩(wěn)定分析中，其基本內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分：（1