论文部分内容阅读
【摘要】：本文通过对粘土心墙堆石坝坝体设计方案的有限元数值分析，研究坝体整体沉降和各区域的应力、变形，模拟中考虑坝体填筑过程和蓄水过程，并根据计算结果显示暴露出的问题，指导大坝后期施工。
【关键词】：长田水电站 粘土心墙堆石坝 计算模型 坝体应力分析 坝体位移分析
【Abstract】This treatise mainly to study the dam sedimentation and each regin’s stress and deformation according to the finite element numerical analyse of Changtian hydropower station clay core rockfill dam design scheme. In the analysis we considered the concrete filling process and water storage process , and we conducted the dam construction according to the result of the calculation result.
【Key words】:Changtian hydropower station,clay core rockfill dam,calculation model,dam stress analyse.dam diplacement analyse
中图分类号：TV74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1 概述
长田水电站位于普洱市墨江县景星乡长田村的李仙江上游的把边江河道上，电站为坝后式开发，坝型为粘土心墙堆石坝，最大坝高68.5m，水库正常蓄水位947m，总库容9780万m3，装机容量84MW，多年平均发电量37036万KW．h。电站在建成后将成为地区骨干电站之一，在电力市场和社会需求上发挥着较为重要的作用，因此有必要从结构安全方面出发，深入的分析坝型方案。
枢纽包括挡水、泄洪、引水发电系统及冲沙建筑物，主要建筑物由粘土心墙堆石坝、右岸泄洪（兼导流）洞、左岸冲沙泄洪（兼导流）洞、右岸溢洪道、进水口、压力埋管、发电厂房及升压站等组成。电站总体平面布置图见图1所示。
图1粘土心墙堆石坝总布置图
2工程地质条件
坝基河床地基上覆第四系冲、洪积砂卵砾石夹、块石、漂石，厚18～21m，堆积松散～稍密，透水性强；下伏白垩系下统曼岗组下段紫红色石英砂岩、泥岩、粉砂质泥岩，紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质砾岩及其不等厚互层，中硬岩与软质岩相间分布。微风化及新鲜岩块单轴饱和抗压强度在40MPa～80MPa之间，软质岩为粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，微风化及新鲜岩块单轴饱和抗压强度为15MPa～30MPa。河床冲积层以下即为弱风化，岩体完整性中等，透水性中等～弱。
综合分析坝基岩体工程地质特征，坝基岩体质量河床以Ⅲ类为主，左坝肩以Ⅳ类、Ⅴ类为主，右坝肩以Ⅳ类、Ⅲ类为主。坝体上游为干砌石护坡，心墙与坝体壳料之间设一层过渡层和一层反滤层，下游坡脚处设有排水堆石棱体。粘土心墙堆石坝坝体采用了与上游围堰相结合的形式，下游坡度为1：2.0。如图2所示。
图2心墙堆石坝（与上游围堰结合）最大断面
3坝体应力位移分析
通过模拟粘土心墙坝的填筑过程分析计算坝体整体的位移以及应力情况。由于堆石料区的应力应变关系呈明显的非线性，其变形不仅随荷载大小变化，而且与加载的应力路径有关，坝体本构采用非线性弹性的邓肯张双曲线模型。
粘土心墙堆石坝坝体填筑按照分期施工图，共分三期填筑，第一期为上游围堰填筑完毕，第二期为下游排水棱体填筑完毕，第三期为坝体主料，包括坝壳料、心墙料、过渡料和反滤层的填筑，施工过程如图3所示。坝体堆石料邓肯张计算参数见表1，坝基各层计算参数见表2。
图3粘土心墙坝分期施工图
表1粘土心墙堆石坝堆石料计算参数表
表2 坝基计算参数表
3.1计算模型建立
取粘土心墙坝方案中最大断面作为二维计算模型，坝基向下取57m，至相对不透水层处。模型网格图如图4所示。
图4平面计算模型
（1）坝体材料说明
断面按照坝体不同材料分区，从上游至下游为上游围堰、上游坝壳料、上游过渡料和反滤层、心墙料、下游反滤层和过渡料、下游坝壳料、下游排水棱体。由于在实际填筑时，地基的初始位移应为零，故模型中地基为无重度地基。
（2）坐标系的说明
X轴——水平方向，沿水流方向，指向坝下游为正；
Y轴——竖直方向，指向地基为负；
（3）边界约束条件
坝基底部为全约束，两侧坝基为单向水平约束，其余坝基部分和坝体边界为自由边界。
（3）计算工况
分别计算竣工期和正常蓄水位情况下坝体应力应变情况，见表3。
表3计算工况
3.2应力分析
在竣工期和正常蓄水位情况下，对竖向正应力而言，坝体内最大竖向正应力出现在坝体底部心墙两侧的反滤过渡区，其应力等值线在心墙两侧坝壳区与坝坡逐渐趋于平行，竖向正应力在反滤层过渡区存在应力集中，应力等值线在反滤过渡层与心墙之间呈驼峰状分布，这是由于反滤过渡层变形较小，而其两侧的坝壳区和心墙防渗体变形较大，使得反滤过渡层应力集中对心墙产生支撑作用，在心墙部位出现低应力区。对水平向正应力而言，坝体内水平向正应力数值不大，最大值出现在坝体底部反滤层两侧。竖向正应力和水平向正应力数值大小与分布特征都同时受到上游水位的影响。具体应力分布如图5至图8所示。
图5竣工期竖向正应力（单位pa）
图6竣工期水平向正应力（单位pa）
图7正常水位下竖向正应力（单位pa）
图8正常水位下水平向正应力（单位pa）
3.3位移分析
在竣工期和正常蓄水位情况下，竖向位移基本沿坝轴对称，竣工期坝体最大竖向沉降为32cm，出現在4/5坝高坝轴线附近，最大水平位移向上游5cm,向下游8cm，分别位于反滤过渡层两侧，正常蓄水位坝体最大竖向沉降为34cm，同样出现在4/5坝高坝轴线附近，最大水平位移向下游17cm。
地基沉降较小，竣工期地基的最大沉降为1.9cm，发生于坝体心墙下强风化层，如图9所示。正常蓄水期地基沉降最大值为2.2cm，发生位置与竣工期相同，如图4-57所示。
总体上讲，竣工期和蓄水期坝体的竖向位移变化不大，但水平向位移变化较大，水平向位移明显受到上游水位的影响。具体位移分布如图9~图12所示。
图9竣工期竖向位移（单位m）
图10竣工期水平向位移（单位m）
图11正常水位下竖向位移（单位m）
图12正常水位下水平向位移（单位m）
4 结论
坝体应力及位移特征值结果比较见表4及表5。
表4 坝体位移特征值比较
注：坝体水平向位移以向下游为正，向上游为负。
表5坝体应力特征值比较
计算结果表明坝体竣工期水平和竖向位移都基本沿坝轴对称，蓄水后坝体上游坡面向库区方向的位移受到了遏制，但加剧了下游坡面向下游的位移。总体讲竣工期和蓄水期竖向位移变化不大，但水平位移发生了很大的变化。心墙最大沉降为坝高的0.54%~0.57%，无论最大竖向应力还是水平向应力，其应力最大值发生在心墙两侧接近地基部分。
参考文献
[1]《长田水电站可行性研究报告》庞崇林等中水十四局勘察设计院 2007年11月
[2] 《碾压式土石坝设计规范 》 SL274-2001
【关键词】：长田水电站 粘土心墙堆石坝 计算模型 坝体应力分析 坝体位移分析
【Abstract】This treatise mainly to study the dam sedimentation and each regin’s stress and deformation according to the finite element numerical analyse of Changtian hydropower station clay core rockfill dam design scheme. In the analysis we considered the concrete filling process and water storage process , and we conducted the dam construction according to the result of the calculation result.
【Key words】:Changtian hydropower station,clay core rockfill dam,calculation model,dam stress analyse.dam diplacement analyse
中图分类号：TV74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1 概述
长田水电站位于普洱市墨江县景星乡长田村的李仙江上游的把边江河道上，电站为坝后式开发，坝型为粘土心墙堆石坝，最大坝高68.5m，水库正常蓄水位947m，总库容9780万m3，装机容量84MW，多年平均发电量37036万KW．h。电站在建成后将成为地区骨干电站之一，在电力市场和社会需求上发挥着较为重要的作用，因此有必要从结构安全方面出发，深入的分析坝型方案。
枢纽包括挡水、泄洪、引水发电系统及冲沙建筑物，主要建筑物由粘土心墙堆石坝、右岸泄洪（兼导流）洞、左岸冲沙泄洪（兼导流）洞、右岸溢洪道、进水口、压力埋管、发电厂房及升压站等组成。电站总体平面布置图见图1所示。
图1粘土心墙堆石坝总布置图
2工程地质条件
坝基河床地基上覆第四系冲、洪积砂卵砾石夹、块石、漂石，厚18～21m，堆积松散～稍密，透水性强；下伏白垩系下统曼岗组下段紫红色石英砂岩、泥岩、粉砂质泥岩，紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质砾岩及其不等厚互层，中硬岩与软质岩相间分布。微风化及新鲜岩块单轴饱和抗压强度在40MPa～80MPa之间，软质岩为粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，微风化及新鲜岩块单轴饱和抗压强度为15MPa～30MPa。河床冲积层以下即为弱风化，岩体完整性中等，透水性中等～弱。
综合分析坝基岩体工程地质特征，坝基岩体质量河床以Ⅲ类为主，左坝肩以Ⅳ类、Ⅴ类为主，右坝肩以Ⅳ类、Ⅲ类为主。坝体上游为干砌石护坡，心墙与坝体壳料之间设一层过渡层和一层反滤层，下游坡脚处设有排水堆石棱体。粘土心墙堆石坝坝体采用了与上游围堰相结合的形式，下游坡度为1：2.0。如图2所示。
图2心墙堆石坝（与上游围堰结合）最大断面
3坝体应力位移分析
通过模拟粘土心墙坝的填筑过程分析计算坝体整体的位移以及应力情况。由于堆石料区的应力应变关系呈明显的非线性，其变形不仅随荷载大小变化，而且与加载的应力路径有关，坝体本构采用非线性弹性的邓肯张双曲线模型。
粘土心墙堆石坝坝体填筑按照分期施工图，共分三期填筑，第一期为上游围堰填筑完毕，第二期为下游排水棱体填筑完毕，第三期为坝体主料，包括坝壳料、心墙料、过渡料和反滤层的填筑，施工过程如图3所示。坝体堆石料邓肯张计算参数见表1，坝基各层计算参数见表2。
图3粘土心墙坝分期施工图
表1粘土心墙堆石坝堆石料计算参数表
表2 坝基计算参数表
3.1计算模型建立
取粘土心墙坝方案中最大断面作为二维计算模型，坝基向下取57m，至相对不透水层处。模型网格图如图4所示。
图4平面计算模型
（1）坝体材料说明
断面按照坝体不同材料分区，从上游至下游为上游围堰、上游坝壳料、上游过渡料和反滤层、心墙料、下游反滤层和过渡料、下游坝壳料、下游排水棱体。由于在实际填筑时，地基的初始位移应为零，故模型中地基为无重度地基。
（2）坐标系的说明
X轴——水平方向，沿水流方向，指向坝下游为正；
Y轴——竖直方向，指向地基为负；
（3）边界约束条件
坝基底部为全约束，两侧坝基为单向水平约束，其余坝基部分和坝体边界为自由边界。
（3）计算工况
分别计算竣工期和正常蓄水位情况下坝体应力应变情况，见表3。
表3计算工况
3.2应力分析
在竣工期和正常蓄水位情况下，对竖向正应力而言，坝体内最大竖向正应力出现在坝体底部心墙两侧的反滤过渡区，其应力等值线在心墙两侧坝壳区与坝坡逐渐趋于平行，竖向正应力在反滤层过渡区存在应力集中，应力等值线在反滤过渡层与心墙之间呈驼峰状分布，这是由于反滤过渡层变形较小，而其两侧的坝壳区和心墙防渗体变形较大，使得反滤过渡层应力集中对心墙产生支撑作用，在心墙部位出现低应力区。对水平向正应力而言，坝体内水平向正应力数值不大，最大值出现在坝体底部反滤层两侧。竖向正应力和水平向正应力数值大小与分布特征都同时受到上游水位的影响。具体应力分布如图5至图8所示。
图5竣工期竖向正应力（单位pa）
图6竣工期水平向正应力（单位pa）
图7正常水位下竖向正应力（单位pa）
图8正常水位下水平向正应力（单位pa）
3.3位移分析
在竣工期和正常蓄水位情况下，竖向位移基本沿坝轴对称，竣工期坝体最大竖向沉降为32cm，出現在4/5坝高坝轴线附近，最大水平位移向上游5cm,向下游8cm，分别位于反滤过渡层两侧，正常蓄水位坝体最大竖向沉降为34cm，同样出现在4/5坝高坝轴线附近，最大水平位移向下游17cm。
地基沉降较小，竣工期地基的最大沉降为1.9cm，发生于坝体心墙下强风化层，如图9所示。正常蓄水期地基沉降最大值为2.2cm，发生位置与竣工期相同，如图4-57所示。
总体上讲，竣工期和蓄水期坝体的竖向位移变化不大，但水平向位移变化较大，水平向位移明显受到上游水位的影响。具体位移分布如图9~图12所示。
图9竣工期竖向位移（单位m）
图10竣工期水平向位移（单位m）
图11正常水位下竖向位移（单位m）
图12正常水位下水平向位移（单位m）
4 结论
坝体应力及位移特征值结果比较见表4及表5。
表4 坝体位移特征值比较
注：坝体水平向位移以向下游为正，向上游为负。
表5坝体应力特征值比较
计算结果表明坝体竣工期水平和竖向位移都基本沿坝轴对称，蓄水后坝体上游坡面向库区方向的位移受到了遏制，但加剧了下游坡面向下游的位移。总体讲竣工期和蓄水期竖向位移变化不大，但水平位移发生了很大的变化。心墙最大沉降为坝高的0.54%~0.57%，无论最大竖向应力还是水平向应力，其应力最大值发生在心墙两侧接近地基部分。
参考文献
[1]《长田水电站可行性研究报告》庞崇林等中水十四局勘察设计院 2007年11月
[2] 《碾压式土石坝设计规范 》 SL274-2001