混凝土单曲拱坝三维有限元分析

第ｌ６卷第１期　水利科技与经济　Ｖ０１．１６　Ｎｏ．１　２０１０年１月　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｊａｎ．，２０１０　混凝土单曲拱坝三维有限元分析　姬栋宇　’　（１．郑州大学土木工程学院，郑州４５０００２；２．湖南城建职业技术学院’土木工程系，湖南湘潭４１１１０１）　［摘要］对门坎哨水库混凝土单曲拱坝进行了有限元分析，计算出了拱坝在正常运行阶段的　最大应力和变形。并对计算结果进行了分析说明，为混凝土单曲拱坝的设计、施工提供了一定　的参考价值。　［关键词】　门坎哨水库；单曲拱坝；有限元法；环向应力　［中图分类号］ＴＶ６４２．４　［文献标识码］　Ｂ　［文章编号］　１００６—７１７５（２０１０）０１—００１２—０２　１　工程概况　大竖向压应力为一５．７５　ＭＰａ。各方向最大应力值出现位　置与工况１基本相同。　门坎哨水库位于辽宁省宽甸县鸭绿江蒲石河支流，　工况３下拱坝的最大环向拉应力为１．３２　ＭＰａ，最大环　坝址以上控制流域面积１９８　ｋｍ　，水库总库容　向压应力为一４．１７　ＭＰａ。最大竖向拉应力为６．２６　ＭＰａ，最　１２６　Ｘ１０　ｍ　。枢纽工程由大坝、引水隧洞、压力管道、厂房　大竖向压应力为一６．６６　ＭＰａ。各方向最大应力值出现位　等建筑物组成。大坝为定圆心定外半径的混凝土单曲拱　置与工况１基本相同。　坝，最大坝高２０．２　ｍ，坝底厚度１．１　ｍ，厚高比０．０８。大坝　在工况２下拱坝环向应力、竖向应力、第一主应力及　正常蓄水位１４．６　ｍ，设计水位ｌ７．２　ｍ，校核洪水位１９　ｍ。　第三主应力等值线图见图１～图４。从图１一图４可以看　２计算模型　出，整个拱坝中部应力分布较为均匀，但是在拱坝坝肩处　以及拱坝坝底与基岩交界处的应力值较大。这主要是此　门坎哨水库坝址为梯形河谷，在河谷两岸设重力墩，　处的应力集中所引起的。这些较大的拉应力值可以通过　大坝地基为坚硬肉红色细粒花岗岩，两岸为弱风化花岗　有限元等效应力法加以降低　Ｊ。　岩，河床为微风化花岗岩。岩石弹性模量Ｅ．＝２２　ＧＰａ，泊　松比肛。＝０．２８。混凝土拱坝采用的混凝土强度等级为　Ｃ２５，弹性模量Ｅ２＝２８　ＧＰａ，泊松比　２＝０．１６７…，容重　＝２４　ｋＮ／ｍ　。　Ｄ　＝一Ｉ６９Ｅ＋０７　混凝土拱坝和基岩结构模型采用８节点等参块体单　元。该单元应用于实体结构的三维模型中，具有塑性，蠕　变，膨胀，应力刚化，大变形和大应变的特性，单元具有８　个节点，每个节点具有３个平动自由度　。　图１　工况２下拱坝环向应力等值线图（Ｐａ）　考虑到拱坝结构在运行过程中的受力特点　Ｊ，主要　考虑了以下３种计算工况：工况１，正常蓄水位＋自重；工　况２，设计水位＋尾水位＋自重；工况３，校核洪水位＋尾　水位＋自重。　３计算结果分析　工况１下拱坝的最大环向拉应力为０．８３　ＭＰａ，出现在　拱坝坝肩与左岸岩体交界处，最大环向压应力为　图２工况２下拱坝竖向应力等值线图（Ｐａ）　一２．５０　ＭＰａ，出现在拱坝拱冠中部。最大竖向拉应力为　．工况１下拱坝的最大径向位移为３．４０　ｍｌｎ，出现在拱　３．７１　ＭＰａ，出现在拱坝坝底与基岩交界处，最大竖向压应　坝拱冠中部。拱坝的最大竖向位移为１．５５　ｍｍ，出现在拱　力为一４．４３　ＭＰａ，出现在拱坝拱冠中部。　坝左坝肩顶部。工况２下拱坝的最大径向位移为　工况２下拱坝的最大环向拉应力为１．１２　ＭＰａ，最大环　５．０２　ｎｌｍ，拱坝的最大竖向位移为１．５７　ｍｉｌｌ。工况３下拱　向压应力为一３．４８　ＭＰａ。最大竖向拉应力为５．２１　ＭＰａ，最　坝的最大径向位移为６．２５　ｍｍ，拱坝的最大竖向位移为　［收稿日期］２００９—０６—１５　［作者简介］　姬栋宇（１９８１一），男，河南濮阳人，助教，博士研究生，主要从事工程结构数值仿真研究工作　一１２—　姬栋宇：混凝土单曲拱坝三维有限元分析　第１期　图３工况２下拱坝第一主应力等值线图（Ｐａ）　图６工况２下拱坝竖向位移等值线图（Ｐａ）　从图５～图６可以看出，拱坝的最大径向位移主要出　现在拱坝中部，最大竖向位移主要｝¨现在坝肩的顶部。　但拱坝的径向位移要比　向位移大，这主要是南水压力　引起的，而水　对拱坝竖向位移影响不大。　４　结　语　分析结果表明，门坎哨水库在正常运行阶段整体应　图４工况２下拱坝第三主应力等值线图（ｆ）ａ）　力值不大，能够满足强度要求。而主要由水压所产生的　１．６６　ｌｎｌｎ　Ｔ况２、３最大位移【叶｛现位置与＿Ｔ况Ｉ基本相　径向位移也较小，符合要求。　同。　在ｌ　ｌ况２下拱坝径向位移和蛏向位移等值线同见图　［参考文献］　５～罔６所示、　［１］ＳＬ／Ｔ１９１—９６，水。ｌ　混凝士结构设计规范［Ｓ］．　［２］王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法：　第二版［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９７．　［３］ＳＬ２８２—２００３，混凝土拱坝设计规范［ｓ］．　［４］朱伯芳，高季章，陈祖煜，等．拱坝设计与研究［Ｍ］．　北京：中国水利水电ｆ“版社，２００２．　（责任编辑：赫晓彦）　图５工况２下拱坝径向位移等值线圈（Ｐａ）　＾………………　……　＾……●　…　…　＾…㈣　…　＾……　……………　＾……　（上接第９页）　表４非稳定渗流计算成果表　４　结　论　［参考文献］　本文采川有限元数值模拟方法，研究分析　正常运　［１］汪恕城．试论中国水电发展趋势［Ｊ］．水力发电学　行ｌ　况硬非　芷常运行一Ｉ　况时，中洞水库大坝的渗流稳定　报，１９９９，６（１０）：１—２．　问题，结果表明：大坝存正常运行时，坝内的浸润线逸出　［２］Ｊｏｓｅｐｈ　Ｆｉｋｓｅ１．Ｒｉｓｋ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　９９０ｓ［Ｊ］．Ｒｉｓｋ　Ａｎａｌ—　点相对较高，不利丁水库安全；坝基、坝坡渗透坡降也相　ｙｓｉｓ，１９９０，１０（２）：ｌ９５—１９６．　对过大，对大坝稳定不利；而水库单宽渗透流量相刘’较　［３］侯俊平，郭炜．有限元计算方法在大坝渗流分析　大，减少ｒ水库的兴利库容　当土石坝　水位降落时，由　巾的应用　］．武汉大学学报（７－＿学版），２００５，３８　丁晖水协骤降速牢棚对较慢时，坝内浸润线相对较低，其　ｆ　５）．６３—６６．　Ｌ游坝坡渗透足稳定，但柱相对水位降落较快时期．浸润　［４］娄一清，丁Ｊ丽，何鲜峰．浙江某水库大坝渗流安全　线秆１对过高，对坝体稳定小利　、综合研究分析Ｉ『知，中洞　综合分析［Ｊｊ．灾害学，２００８，２３（１）：３２—３６．　水Ｊ荦夫坝存　着安全隐患～　［５］ＳＬ２５８—２０００，．水库大坝安全评价导则［Ｓ］．　（责任编辑：赫晓彦）