老松樹(shù)水電站粘土心墻土石壩有限元分析

老松樹(shù)水電站粘土心墻土石壩有限元分析

1電站及壩型設(shè)計(jì)老松江水庫(kù)位于吉林省撫松縣東崗市老松江村上游1公里處，松江河與槽子河交匯處下游約0.5公里。水庫(kù)下面與一座小山水庫(kù)相連，距離松江河市約5公里。老松江水電站是以發(fā)電為主。電站為混合式開(kāi)發(fā),樞紐建筑物主要由擋水壩、溢洪道、引水系統(tǒng)及地面式發(fā)電廠(chǎng)房組成。設(shè)計(jì)正常蓄水位為744.00m。相應(yīng)庫(kù)容4918×104m3,死水位733.00m,相應(yīng)庫(kù)容2498×104m3。該階段初選上、下2條比較壩線(xiàn),相距約290m,壩型初擬為粘土心墻堆石壩,最大壩高47.5m,大壩上游邊坡1∶1.5,下游邊坡1∶1.4,壩頂寬5.0m,心墻頂寬3.0m,心墻上游邊坡1∶0.25,下游邊坡1∶0.25,反濾層上游厚1.0m,下游厚2.0m,過(guò)渡層上游厚1.0m,下游厚2.0m。壩基砂礫卵石,平均厚25m左右,壩體堆石料巖性為玄武巖,設(shè)計(jì)要求:γd≥20.3kN/m3,n≤30%,限制粒徑0.8m。2粘土心墻應(yīng)力應(yīng)變分析通過(guò)有限元分析,了解大壩在各種水位作用下壩體的變形(水平位移和垂直位移)、應(yīng)力以及粘土心墻的變形和應(yīng)力分布,為工程安全分析和反饋設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)根據(jù)壩殼和心墻的應(yīng)力應(yīng)變判別心墻是否形成水平裂縫。該報(bào)告對(duì)壩體在竣工期和設(shè)計(jì)正常蓄水位744.00m的情形分別進(jìn)行有限元分析。以了解大壩在不同工況下的變形規(guī)律和應(yīng)力分布。2.1計(jì)算模型2.1.1壩底壩底加荷計(jì)算在有限元分析中,模擬施工過(guò)程共分十四級(jí)加荷。第一級(jí)為壩底;第二級(jí)至第十三級(jí)從壩底到壩頂部分;第十四級(jí)為水荷載加至正常蓄水位744.00m。2.1.2主壩橫直向剖分坐標(biāo)系建立如下:順河向?yàn)閄軸,指向下游為正;豎直向?yàn)閅軸,豎直向上為正。根據(jù)主壩的橫斷面圖對(duì)大壩進(jìn)行單元剖分。壩體剖分的網(wǎng)格有946個(gè)等參單元,992個(gè)結(jié)點(diǎn)。大壩的基本剖面如圖1所示。2.2壩體和心墻應(yīng)力和變形成果經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性有限元分析計(jì)算,整理分析得到典型分析斷面的竣工期、正常水位744.00m水位下的壩體和心墻的應(yīng)力和變形成果,如圖2~5。順河向水平位移,向上游為負(fù),向下游為正;垂直位移,下沉為負(fù),上抬為正。2.2.1設(shè)計(jì)水位工況的水平位移1)水平位移。有限元計(jì)算成果如圖2~圖3。從非線(xiàn)性有限元分析得到,竣工期大壩向上游的水平位移最大值在1/4壩高靠近上游坡面處,最大值是0.135m;向下游的水平位移最大值是0.113m,與上游側(cè)沿壩軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng),在靠近下游坡面處。設(shè)計(jì)水位工況的水平位移,從圖上可以看出,與竣工期相比發(fā)生明顯改變。上下游的水平位移不再對(duì)稱(chēng)于壩軸線(xiàn),整個(gè)大壩1/4壩高以上部分水平位移均指向下游。從1/4壩高至壩基,上游部分的水平位移仍指向上游,最大值為-0.027m,其位置比竣工期要靠近上游坡角;水平位移最大值為0.303m。2)垂直位移。有限元計(jì)算成果,見(jiàn)圖4~5。竣工期垂直位移極值位于1/2壩高處的中軸線(xiàn)上,最大豎向變形為0.37m,垂直變形率為0.78%。大壩設(shè)計(jì)水位情況下的垂直位移的最大豎向變形為0.39m,垂直變形率為0.82%,稍稍偏向上游。通過(guò)壩軸線(xiàn)斷面比較蓄水前后的壩體垂直位移,可以看出由于水壓的作用,而產(chǎn)生明顯的壩體下沉,即壩體垂直向下的位移增大。2.2.2壩體應(yīng)力區(qū)應(yīng)力區(qū)的變化竣工期壩體最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)的極小值為-853kPa,蓄水期極小值為-1010kPa。從上圖可以看到,最小主應(yīng)力等值線(xiàn)圖在心墻位置向下凹陷。這反應(yīng)了心墻的拱效應(yīng),心墻自重產(chǎn)生的荷載被周?chē)膲螝に謸?dān),因此在同樣的高程,心墻第一主應(yīng)力比相鄰的壩殼要低,計(jì)算結(jié)果表明低30%左右。一般認(rèn)為心墻的應(yīng)力低于壩殼的一半以上可能會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。最大主應(yīng)力?？⒐て趬误w最大主應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力,極值為25kPa。拉應(yīng)力區(qū)沿心墻兩側(cè),順上下游壩坡向下延伸,在靠近壩腳處尖滅。心墻區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力,和第一主應(yīng)力的情況相反,此時(shí)應(yīng)力等值線(xiàn)向上凸,表明心墻比同高程的壩殼第三主應(yīng)力要大。這種現(xiàn)象和常規(guī)三軸試驗(yàn)相類(lèi)似,心墻的變形受到周?chē)鷫螝さ募s束,相當(dāng)于加上了一個(gè)軸向壓力,增加了第三主應(yīng)力。設(shè)計(jì)水位工況,心墻仍沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力,上游的拉應(yīng)力區(qū)減少,僅在1/2壩高部分出現(xiàn)拉應(yīng)力,下游拉應(yīng)力區(qū)變化不大。這從壩軸線(xiàn)斷面也可以看出,壩體上部的最大主應(yīng)力區(qū)明顯減少,主要是受水壓的作用產(chǎn)生的結(jié)果。3心墻應(yīng)力應(yīng)變特性分析1)最大水平位移發(fā)生在蓄水期,最大水平位移為0.30m,水平變形率為0.2%。最大豎向位移發(fā)生在蓄水期,最大豎向位移為0.39m,垂直變形率為0.82%。均小于1%,符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。2)心墻兩側(cè)設(shè)置過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生的拱效應(yīng),使得最小主應(yīng)力等值線(xiàn)圖在心墻位置向下凹陷;但對(duì)側(cè)向作用較強(qiáng)的心墻的變形穩(wěn)定是有利的。心墻第一主應(yīng)力比相鄰的壩殼要低,計(jì)算結(jié)果表明低30%左右。一般認(rèn)為心墻的應(yīng)力低于壩殼的一半以上可能會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。3)竣工期與設(shè)計(jì)水位工況下,心墻區(qū)均沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力,且在設(shè)計(jì)水位情況下,受水壓作用,上游區(qū)的拉應(yīng)力區(qū)明顯減少。4)心墻