某重力壩樞紐擋水建筑物設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9554某重力壩樞紐擋水建筑物設(shè)計(jì)案例 1228951.1重力壩剖面優(yōu)化設(shè)計(jì) 1306711.2穩(wěn)定分析校核 3209211.3應(yīng)力分析校核 4136451.4數(shù)值仿真分析 5177331.5各種非荷載因素對(duì)壩體應(yīng)力的影響 91.1重力壩剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)前面的設(shè)計(jì)：對(duì)于本設(shè)計(jì)，壩頂高程為131.86m，壩基面高程為6m，壩高為125.86m，壩頂寬度為12m，上游折坡點(diǎn)高程為50m，上游邊坡系數(shù)為0.1，下游邊坡系數(shù)為0.7。下游折坡點(diǎn)高程由此計(jì)算得出，為114.72m。非溢流壩段坡面初擬如下圖所示：圖1.1非溢流壩段剖面初擬圖現(xiàn)對(duì)該剖面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇出經(jīng)濟(jì)剖面，必須滿足以下幾點(diǎn)要求：①抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要符合規(guī)范要求；②壩踵、壩址的最小垂直正應(yīng)力、最大垂直正應(yīng)力要符合應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)；③在①②條件滿足的情況下，保證最經(jīng)濟(jì)。剖面優(yōu)化工具采用SAOGD1程序（由武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水工教研室提供）。剖面優(yōu)化考慮三種工況：①正常洪水位；②設(shè)計(jì)洪水位；③校核洪水位。經(jīng)濟(jì)剖面具體參數(shù)如下：壩頂高程131.86m，壩頂寬度12m，上游折坡點(diǎn)高程50m，上游邊坡系數(shù)0.15，下游邊坡系數(shù)0.7，下游折坡點(diǎn)高程114.72m。剖面單位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的混凝土方量為5791.53m3。經(jīng)濟(jì)剖面示意圖如下：圖1.2非溢流壩段經(jīng)濟(jì)剖面圖剖面應(yīng)力與安全系數(shù)見下表：表1.1經(jīng)濟(jì)剖面電算應(yīng)力與安全系數(shù)結(jié)果表計(jì)算工況SYS2US1DKSHKSL①61.6644.43253.984.25621.2795②16.2015.04290.823.74151.0976③4.954.49299.923.66501.0618其中：SY——上游垂直正應(yīng)力，N/m2；S2U——上游主應(yīng)力，N/m2；S1D——下游主應(yīng)力，N/m2；KSH——按抗剪斷公式計(jì)算的安全系數(shù)；KSL——按摩擦公式計(jì)算的安全系數(shù)。具體過程計(jì)算說明書。1.2穩(wěn)定分析校核1.目的與要求通過SAOGD1程序電算，已經(jīng)選出經(jīng)濟(jì)斷面，為確保大壩在施工期合運(yùn)行期能滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定要求，現(xiàn)對(duì)該經(jīng)濟(jì)斷面電算結(jié)果進(jìn)行手算穩(wěn)定分析校核。應(yīng)力校核主要是看該經(jīng)濟(jì)剖面是否滿足以下應(yīng)力要求：①最不利荷載作用時(shí)，壩基面垂直正應(yīng)力不超過壩基材料所能承載的壓應(yīng)力，且不能出現(xiàn)拉應(yīng)力。②最不利荷載作用時(shí)，壩趾處主壓應(yīng)力不超過筑壩材料所能承載的壓應(yīng)力；壩踵處不出現(xiàn)拉應(yīng)力。1.結(jié)果表1.2抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算（手算）結(jié)果表計(jì)算工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K規(guī)范要求值設(shè)計(jì)工況3.83（3.74）3.0校核工況3.74（3.67）1.5表1.3抗剪穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表計(jì)算工況抗剪穩(wěn)定安全系數(shù)K規(guī)范要求值設(shè)計(jì)工況1.13（1.10）1.10校核工況1.09（1.06）1.05括號(hào)內(nèi)均為電算結(jié)果，用以對(duì)比；顯然經(jīng)濟(jì)剖面抗滑穩(wěn)定要求和抗剪穩(wěn)定要求都滿足。1.3應(yīng)力分析校核1.應(yīng)力要求進(jìn)行應(yīng)力校核時(shí)一般需要足以下要求：①最不利荷載時(shí)，壩基面垂直正應(yīng)力不超過壩基材料所允許承載的壓應(yīng)力，且不出現(xiàn)拉應(yīng)力；②最不利荷載時(shí)，壩趾處主壓應(yīng)力不超過筑壩材料所允許承載壓應(yīng)力，壩踵處不出現(xiàn)拉應(yīng)力。1.應(yīng)力校核分析方法①理論計(jì)算法此方法較為簡(jiǎn)單，但對(duì)于大多數(shù)情況，已經(jīng)夠用。對(duì)于本設(shè)計(jì)，理論計(jì)算用材料力學(xué)法進(jìn)行計(jì)算，一般結(jié)果都能滿足要求。應(yīng)力校核分析的計(jì)算截面選為壩基面，分別計(jì)算對(duì)應(yīng)平面對(duì)應(yīng)工況下壩踵和壩趾處應(yīng)力值進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果如下表所示：表1.4壩基面應(yīng)力理論計(jì)算結(jié)果表設(shè)計(jì)工況σστσσ壩踵341.93166.8326.87161.80345.96壩趾960.431960.071371.052920.50校核工況σστσσ壩踵273.5995.5437.5680.90345.96壩趾1061.7419811386.702951.700混凝土的允許應(yīng)力由混凝土極限強(qiáng)度除以相應(yīng)安全系數(shù)得到。根據(jù)《規(guī)范》要求，安全系數(shù)取值規(guī)范為：①基本組合情況下不小于4.0，本設(shè)計(jì)取4.0；②特殊組合情況下不小于3.5，本設(shè)計(jì)未考慮。本設(shè)計(jì)壩體混凝土初步確定為C20，其極限抗壓強(qiáng)度為20MPa。則允許應(yīng)力為20/4.0=5Mpa根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果表，最大應(yīng)力為1.951Mpa＜5Mpa，滿足要求；壩趾處應(yīng)力均未出現(xiàn)負(fù)數(shù)，滿足要求。②模型試驗(yàn)法本設(shè)計(jì)也會(huì)采用此方法，用ANSYS進(jìn)行校核。詳見1.4。1.4數(shù)值仿真分析1.4.1模擬范圍1.模型情況如圖3.3，模型取15m長(zhǎng)壩段，向上、下游以及壩底均延伸190m作為模擬范圍。模型單元數(shù)為2010，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2920。模型計(jì)算參數(shù)見下表。表1.5有限元模型計(jì)算參數(shù)材料彈性模量E（GPa）容重γ（KN/m3）泊松比μ碾壓混凝土20.0024.000.167基巖9.0025.000.25圖1.3有限元模型圖1.4.2邊界條件與荷載1.邊界條件壩基上、下游表面水平法向約束；壩基底面垂直法向約束；壩基側(cè)面法向約束；壩體側(cè)面無約束。1.荷載與手算保持一致。具體加載情況說明如下：①直接假定初始地應(yīng)力只由壩基的自重產(chǎn)生。②建壩過程中壩體自重不斷增加，但為了簡(jiǎn)便，采用一次性施加壩體自重的方式進(jìn)行計(jì)算。③上、下游表面施加水壓力，線性分布；壩基面施加揚(yáng)壓力，線性分布但注意折減點(diǎn)。1.4.3數(shù)值仿真分析結(jié)果1.設(shè)計(jì)工況圖1.4設(shè)計(jì)工況UY云圖圖1.5設(shè)計(jì)工況UX云圖①壩踵局部放大圖②壩址局部放大圖圖1.6壩踵、壩址SY云圖圖中位移垂直向上為正，水平向以向右為正；應(yīng)力以拉應(yīng)力為正。對(duì)于本設(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)果圖顯示，拉應(yīng)力區(qū)約為壩底寬度的0.042左右，小于0.07，滿足規(guī)范要求。而本設(shè)計(jì)的壩踵至帷幕中心線或排水孔中心線的距離在8m左右，也小于，滿足規(guī)范要求。1.校核工況圖3.7校核工況UY云圖圖3.8校核工況UX云圖①壩踵局部放大圖②壩址局部放大圖圖3.9壩踵、壩址SY圖圖中位移垂直向一向上為正，水平向以向右為正；應(yīng)力垂直向以拉應(yīng)力為正。根據(jù)結(jié)果圖顯示，拉應(yīng)力區(qū)約為壩底寬度的0.05左右，小于0.07，滿足規(guī)范要求。1.5各種非荷載因素對(duì)壩體應(yīng)力的影響1.5.1地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響由于實(shí)際情況中，壩體受力后會(huì)發(fā)生變形，一般難以滿足材料力學(xué)的平截面假設(shè)，從而為了協(xié)調(diào)變形，會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布。空庫(kù)與滿庫(kù)以及不同的壩體、壩基彈性模量關(guān)系又對(duì)應(yīng)力重分布有著不同的影響?，F(xiàn)分兩大種、六小種情況對(duì)壩基應(yīng)力重分布進(jìn)行有限元分析。結(jié)果如下：1.空庫(kù)時(shí)①Ec/Er→0②Ec/Er=1③Ec/Er→∞圖1.10空庫(kù)時(shí)壩基應(yīng)力分布圖1.滿庫(kù)時(shí)①Ec/Er→0②Ec/Er=1③Ec/Er→∞圖1.11滿庫(kù)時(shí)壩基應(yīng)力分布圖根據(jù)以上結(jié)果對(duì)比顯示，可以看出：在空庫(kù)情況下，壩踵處垂直向應(yīng)力集中情況隨著Ec/Er的變大而越來越嚴(yán)重；在滿庫(kù)情況下，壩踵處垂直向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，壩址處垂直向應(yīng)力隨著Ec/Er的變小也在逐漸變小，有出現(xiàn)拉應(yīng)力的趨勢(shì)，由于本次模擬Ec/Er→0的情況下所取的彈性模量比值與0還有一段差距，因此可以預(yù)測(cè)，當(dāng)?shù)鼗鶑椥阅Ａ孔銐虼髸r(shí)，壩址處必然會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。而當(dāng)Ec/Er變大直至無窮時(shí)，壩基垂直向應(yīng)力從有應(yīng)力集中的趨勢(shì)到出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)果表明，地基并不是彈性模量越大越好，彈性模量過大會(huì)導(dǎo)致上游壩踵甚至壩址出現(xiàn)拉應(yīng)力，造成不利影響；也不能過小，否則會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題或其他危害。由此可見地基彈性模量應(yīng)恰當(dāng)選擇，要與壩體彈性模量要結(jié)合起來考慮，而不能一味地增加壩基剛度。1.5.2地基不均勻性對(duì)壩體應(yīng)力的影響上一節(jié)分析了實(shí)際中地形變化對(duì)壩基應(yīng)力分布的影響，這是在地基均勻的情況下進(jìn)行分析的。而實(shí)際中，地基大多數(shù)情況是由不同的巖體組成，不同部位有著不同的彈性模量，這種不均勻性也會(huì)對(duì)壩體、壩基的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響?，F(xiàn)分兩種情況對(duì)不均勻性地基進(jìn)行應(yīng)力分析（垂直正應(yīng)力分析）。結(jié)果如下：①上游壩踵附近地基彈性模量更大時(shí)②下游壩址附近地基彈性模量更大時(shí)③地基均勻時(shí)（作為參照）圖1.12非均勻地基垂直正應(yīng)力分布圖根據(jù)以上結(jié)果顯示：上游地基剛度更大時(shí)，相較于均勻地基，壩踵處拉應(yīng)力更大，壩