基于水库坝体加固有限元计算法研究
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摘要: 本文根据工程实际问题提出大坝加固的初步设计方案,并采用三维有限元方法进行仿真计算,分析加固后坝体应力应变分布规律,对加固方案的可行性和合理性作出了评价。
中图分类号：TV62文献标识码： A 文章编号：
一、引言
该水库是一座以城市居民生活用水为主,兼顾防洪、发电等综合效益的中型水利工程，水库大坝建成于1981年10月,坝型为浆砌石定圆心定半径坝顶自由溢流单曲拱坝,最大坝高52.8m,坝底拱圈厚16m,坝顶拱圈厚1.86m,坝轴线弧长147m，大坝建成蓄水后,很快就出现裂缝,其中离右坝肩3m左右有3条缝,顺径向开裂,延伸长度分别为12、10、2m;左岸离坝肩7m处也出现了1条长18.8m的裂缝，冬季温度降低时,裂缝最大宽度可达3~7mm,其他季节缝宽1mm左右，大坝坝址处虽为对称的梯形河谷,但左右坝肩岩体地质条件差异较大,其中右坝肩岩体地质条件较差,剪切裂隙较为发育,裂隙走向基本上是顺河流方向,从而造成大坝左右不对称变形，根据《水库大坝安全评价导则》SL258-2000第2.6.3条有关规定,评定该工程质量为不合格,需进行加固处理,以阻止裂缝的继续开展和减少左右拱圈不对称变形。
二、水库坝体加固方案
分别对坝体、坝肩基岩和旧坝裂缝采取相应的工程措施:
(1)采用C20混凝土在大坝下游面进行分段加厚,从453.44m高程开始,中间拱圈加厚1.0m,左右拱坝段向两端逐渐加厚.加厚的坝体刚度变大,受力性能和抵抗变形能力都相应提高，加固后的坝型在高程453.44m以上为三心圆拱,453.44m以下为单圆心等外半径单曲拱，加固后坝体488.80m高程拱圈体型见图1。
(2)针对右坝肩基岩地质条件较差、裂隙较发育的情况,采取固结灌浆和帷幕灌浆等工程措施对其进行加固和防渗处理,以减小左右拱圈不对称变形。
(3)对旧坝上已经出现的裂缝进行灌浆封闭,以提高坝体的整体性和密实性。
图1加固后坝体488.80m高程左拱圈体型示意图
三、计算模型和计算方法
3.1有限元模型
考虑到主要计算目的是分析加固后整个坝体的应力应变状态,同时为了减少有限范围边界条件引起的计算误差,计算区域铅直方向取到建基面以下56m,横河向的地基宽度取173m,顺河向的地基宽度取91m。依据拱坝体型图和地形图建立几何模型,并考虑了坝体分区、基岩材料分区以及多种荷载的施加区域等,坝体分为8层,以便于模拟自重应力，计算分析中对坝体采用6面体8节点单元进行有限元离散,基岩则采用4面体10节点单元进行有限元离散。整个计算域共划分了63146个单元,91983个结点，采用直角坐标系,X轴指向上游,Y轴从左岸指向右岸,Z轴竖直向上。基岩的上、下游面均施加X方向的约束,左右边界均施加Y方向的约束,基岩底部则施加Z方向的约束。
3.2计算荷载及工况
计算中考虑自重、静水压力、泥沙压力、扬压力和温度荷载，其中正常水位484.15m,死水位457.50m,校核水位488.27m,下游均无水;上游泥沙高程444.2m,泥沙浮容重9.8kN/m3,内摩擦角12º。前4种荷载的计算方法,下面讨论温度荷载的计算方法。拱坝的温度荷载沿坝体厚度方向可以分为三部分:均匀温度变化Tm、等效线性温差Td及非线性温差Tn，其中Tn将产生自生温度应力,主要产生表面应力,在作拱坝整体应力分析时,可不予考虑，文中利用已建立的有限元网格,分别计算等效线性温差Td及均匀温度变化Tm在坝体内形成的稳态温度场,然后将两个温度场叠加作为坝体的温度荷载。根据洪水复核、水库实际运行情况及封拱温度与年气温变化,拟定了5个计算工况。
3.3关键技术问题
3.3.1力学参数反演
根据地质资料可知,左拱端岩体完整性相对较好,主要为砂岩,右拱端岩体节理裂隙相对发育,主要由砂岩和砂质页岩组成，因缺乏各种地质材料的力学参数,解决这一问题的较好办法是根据实测变形资料来反演各地质材料的主要力学参数,以综合反映地质材料的力学特性、地质构造以及其他难以考虑的因素，实测的大坝原型观测资料中,包含坝顶拱冠和左右1/4拱圈处的水平位移,本文根据这些资料进行反演，具体反演过程为:先根据工程经验和类比假定需反演的岩体力学参数范围,根据计算所需精度将该参数范围划分为多个区间段,并分别代入有限元模型进行计算,将计算结果与实测值对比,选取吻合程度较好的一组参数,再进一步划分区间段进行调整计算,直到计算值与实测值的差异达到期望值时,即可确定基岩的力学参数。
四、计算成果分析
4.1位移结果分析
三维有限元分析结果显示,坝体变形规律是高水位低气温时向下游变位较大,低水位高气温时向下游变位较小,与实际监测资料反映的变形规律比较一致，坝顶拱圈向下游产生较大径向变位的是工况2,该工况下坝体整体的变形趋势是向下游方向,自坝基向坝顶变形逐渐增大,且在坝顶拱端变形指向两岸,在坝顶左1/4拱圈位置向下游位移为9.0mm,右1/4拱圈位置向下游位移为9.81mm,左拱端向下游位移为1.16mm,右拱端向下游位移为1.36mm,坝顶拱冠处向下游位移为22.93mm。与加固前位移结果相比,坝体各处变形都有明显减小,其原因是加固后坝体拱圈变厚,使得拱坝的整体刚度变大,抵抗变形能力提高，加固后坝体左右拱圈对称位置的变形相差基本都在1mm以内。可见右拱端岩体采取了固结灌浆和帷幕灌浆等措施后,该部分岩体的整体性变好,受力性能得到改善,不对称变形也基本消除。
4.2应力结果分析
应力计算结果表明,温度升高时拉应力减小,温度降低时拉应力增大,这与实测资料中裂缝夏季高温闭合,冬季低温张开的情况是一致的，工况4拱端的主拉应力最大,左拱端上游面最大主拉应力为1.16MPa,右拱端上游面最大主拉应力为1.12MPa,工况3的拱端主拉应力最小,在规律上仍然是低水位低气温时拱端的主拉应力最大，对比分析加固前后应力情况发现,加固后拱端的主拉应力明显得到改善,左拱端的主拉应力均小于加固前,最大降幅约有55%;但右拱端也存在拉应力变大的情况,这是由于右拱端岩体力学参数提高,对拱端约束加强,从而导致其应力增大。此外加固后坝踵、坝趾处的最大主拉应力和拉应力区都有明显减小。可见,加固后坝体的应力情况得到明显改善,有效抑制了坝体裂缝的继续开展。
五、几点结论
(1)大坝开裂的主要原因是温度作用,左右拱圈发生不对称变形的主要原因是左右岸拱端岩体地质条件差异较大,且右拱端岩体较严重的渗透加剧了右拱圈的变形。这些影响因素并不是孤立的,它们相互影响、综合作用导致了坝体的开裂和左右拱圈的不对称变形。
(2)仿真计算表明,采取加固措施对限制拱坝变形继续发展有明显的作用,加固后原砌体部分的应力也有较好地改善,加固部分内的应力基本小于其极限强度,说明加固后整个结构的受力性能和抵抗变形的能力都得到了改善,拱坝的安全水平也得到了提高。
(3)加固前后的计算结果都表明低水位低气温下,坝体将处于最不利应力状态。建议水库在运行阶段要控制冬季的最低蓄水位。
(4)若使封拱温度比设计值低一些,温度降幅就相应地小一些,从而有效改善坝体的最不利应力状态。所以建议坝体加固和旧坝裂缝灌浆封闭都选在低温季节进行。