施工期开设交通孔对拱坝坝体应力影响研究

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拱坝是一种经济性和安全性都较优越的坝型。在修建拱坝的过程中若两岸难以设置交通道路,则在进入库区时便需要考虑在坝体开孔作为交通通道。拱坝开孔会破坏拱圈的连续性,会导致孔口局部出现应力集中的问题,而且孔口局部位置上的混凝土,也会出现开裂等问题,严重影响到坝体的正常使用。目前,在拱坝上开设泄流孔的情况较常见,但开设交通孔的情况比较少见。因此,拱坝开设交通孔对坝体的安全问题应得到重视。本文以福州市马尾区天台水库拱坝开设交通孔为例,采用三维有限元法和拱梁分载法分别对其进行应力仿真计算。为进一步简化计算模型,假定大坝整体修筑完成但未蓄水作为施工期的最不利工况。力求探寻施工期坝体开设交通孔对拱坝整体、坝肩及交通孔周围应力的影响规律,为今后坝体开设交通孔的布置及设计提供一定的参考依据。主要研究内容及成果如下:(1)针对马尾区天台水库施工期开设的坝体交通孔,采用有限元法和拱梁分载法分别计算在温升与温降两种工况下交通孔周围、坝肩及拱坝整体的应力,并与坝体未开设孔的应力情况进行对比。结果表明,两种方法的应力计算结果变化趋势基本一致;有无交通孔对坝肩及拱坝整体的应力影响较小,交通孔周围的最大主拉、压应力都有显著增加;在温升荷载工况下坝肩的主压应力最大值大于温降工况,表明该工况对坝肩的稳定不利,温降荷载工况下上游面最大主拉应力增加,表明该工况对拱坝坝体应力不利。(2)针对开设不同高程位置的交通孔采用有限元法进行应力计算。结果表明不同高程位置的交通孔对坝体结构应力分布影响较小;交通孔周边坝体结构应力值随着孔口高度的不同,其拉应力、压应力变幅有些许不同,其最大变幅值分别为0.34MPa和1.31MPa,该值与坝体原有应力值有关,大体呈现原有应力值越小,其变幅越小。(3)针对开设不同孔口尺寸的交通孔采用有限元法进行应力计算。结果表明不同孔口尺寸的交通孔对坝体结构应力分布影响较小;随着孔口尺寸的增加,交通孔周围的拉压应力变幅均增大,其值为0.32MPa与1.46MPa。在温升与温降荷载工况下的交通孔周围应力变化趋势较为接近,但温升工况下的主压应力值要大于温降工况。(4)将开设不同高程位置与孔口尺寸的交通孔分别采用有限元法与拱梁分载法进行应力计算。结果表明有限元计算的主拉、压应力值均大于拱梁分载法;不同高程交通孔的情况,交通孔高程为53m的计算结果差异性最大,主拉应力最大差值为0.61MPa,主压应力最大差值为1.49MPa;不同尺寸交通孔的情况,尺寸为6m×4.5m的计算结果差异性最大,主拉应力最大差值0.71MPa,主压应力最大差值1.63MPa。
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