基于NASGEWIN双曲拱坝结构应力有限元分析.pdf

理论研究水利技术监督 年第 期:/基于 双曲拱坝结构应力有限元分析高 远 娄诗建(遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司 贵州 遵义)摘要:为研究盐津桥水库双曲拱坝加高后的力学特性及分布规律 文章运用 三维有限元分析软件采用先离散后整合策略构建非线性静动力数值模拟模型 并对大坝运行状态进行复核论证 分析成果表明:模拟数值能真实反映不同工况条件下的坝体结构应力应变规律 数据准确可靠 基于岩石和土不同本构关系构建的有限元模型 能有效简化坝体应力间的复杂非线性函数 避免冗长的结构力学算法 可为大坝稳定性分析和状态评估提供一种新的方法关键词:双曲拱坝 坝体结构 有限元分析 应力变形中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:高 远(年)男 工程师:拱坝是平面上凸向上游三向固定的空间高次超静定结构 拱和梁各承担多少荷载由拱梁交点处变位一致条件决定 常规拱坝分析主要包括纯拱法、拱冠梁法和简易多拱梁试载法等 随着模拟仿真技术的进一步发展、等基于有限元分析法的数值模拟软件在工程中得到广泛推广且发挥着良好应用效果 邓宇轩等采用 有限元对浆砌石拱坝坝体应力进行模拟 并根据分析数值优选与工程实际匹配性好的加固方案及实施条件 刘杰等采用 软件构建“坝体坝基”显式有限元模型 对混凝土拱坝在超载工况条件下从局部破坏至整体失效全过程进行数值模拟 为不均匀坝基拱坝稳定性分析提供了一种新方法 三维静动非线性有限元分析程序 在考虑岩石和土的不同本构关系基础上 以弹塑性理论采用变刚度迭代法、中点增量法等构建仿真模型 避免了冗长的结构力学法计算 实现对复杂结构体的静动力数值模拟分析贵州盐津桥水库双曲拱坝经二次优化加高后 为准确评估大坝整体运行状态 采用 有限元构建数值模拟模型对拱坝结构应力进行复核论证 旨在为大坝安全评价和工程运行管理提供详实数据依据 非线性有限元计算原理郑雄指出混凝土和岩体材料内微裂隙的存在和扩展使得其具有非关联流动和弹塑性耦合的特征在应力空间中 材料的硬化表现为屈服面的扩张材料的软化表现为屈服面的缩小 盐津桥水库坝体应力分析中以弹塑性有限元模型来离散坝体和基岩故在计算过程中做如下假定:有限元中 应变能存储于单元体内 刚体元中 应变能存储于单元交界面上 有限元与刚体元混合网格中 刚度既体现于有限元的体内变形 也表现为交界面的协调位移 故对有限元内部刚度 仍按有限元进行计算根据虚功原理 可得到节点受力连续性方程为:()()式中 与节点 相关的所有节点 发生位移后作用在节点 上的总应力 所含节点的单元密 度/节 点 处 体 积 力 加 速 度/节点 处虚位移加速度/各项同性材料的应力应变关系(本构关系):()式中 应力 应力应变矩阵 应变给定节点位移几何函数表达为:()()式中 节点 发生位移后引起节点 处的应变与节点 相关的所有节点 发生位移后引起节 年第 期水利技术监督理论研究点 的相对总位移 与节点 相关的所有节点 发生位移后引起节点 的相对总位移设定应力边界条件为:()式中 节点 发生位移后作用在节点 上的应力 与节点 相关的所有节点 的个数节点 处表面力 设定位移边界条件为:()式中 节点 的相对位移 节点 处表面相对位移结合式()和式()在给定边界条件式()和式()下 采用 法对式()进行离散可得单元受力平衡方程:()式中 单元质量阵 阻尼阵()/单元刚度矩阵/单元力荷载向量 体积力荷载向量 单元位移向量 有限元建模 工程概况贵州盐津桥水库大坝为混凝土砌块石对数螺旋线双曲拱坝 大坝中心线方位角为 顶拱中心角 最大中心曲率半径 最大弧长 最大坝高(含垫座)坝顶宽 坝底拱冠梁厚 坝底拱端 垫座 高 厚 左 岸 重 力 墩 高 度 为 最大顶宽 长 下游面坡比为 大坝主体材料采用 细石混凝土砌块石 上、下游坝面采用 水泥砂浆砌料石砌筑上游防渗心墙布设在 高程 厚度采用公式 ()/计算其中:(死水位高程)段采用 混凝土 抗渗等级为 高程采用 混凝土 抗渗等级为 重力墩主体材料采用 细石混凝土砌块石 上、下游坝面采用 水泥砂浆砌料石砌筑 坝基主要分布 /中厚层夹薄层白云岩和 薄层泥质白云岩夹中厚层泥晶白云岩 根据 砌石坝设计规范 结合钻孔取芯试验坝 体 结 构 参 数 取 值 为:坝 体 弹 性 模 量 为 变形模量 线膨胀系数为 /泊 松 比 为 素 混 凝 土 容 重:/钢筋混凝土容重:/混凝土泊松比:坝址区多年平均气温 最冷月(月)平均气温 最热月(月)平均气温 实测最高气温 实测最低气温 拱坝温度荷载 见表 结构离散计算模型 方向由右岸指向左岸 长 轴由下游指向上游 长 铅直向分析范围为 至 高程 将坝体连同地基划分为许多单元 各相邻单元间以节点相连 有限元计算采用拱坝坝体参数 见表 根据文献研究成果 盐津桥水库拱坝应力分析时 坝体和基岩采用空间 节点六面体单元即:计算域铅直向剖分为 层 各平切高程依次为 整个计算域共计离散为 个节点和 个单元 盐津桥水库拱坝三维计算网格俯视图和下游视图 如图 所示表 拱坝温度荷载特性高程/拱层号温升温降拱冠拱端拱冠拱端 注:表中 为平均温度 为上下游等效温差 单位理论研究水利技术监督 年第 期表 对数螺旋线双曲拱坝体型参数高程/上游坐标值 下游坐标值 右半拱圈起始向径 指数系数右半拱圈极角()右半拱圈厚度 左半拱圈起始向径 指数系数左半拱圈极角()左半拱圈厚度 图 拱坝三维有限元模型俯视图图 拱坝三维有限元模型下游视图 荷载组合采用静动力组合算法进行坝体结构应力分析相应荷载组合工况条件见表 表 荷载组合工况条件工况荷载组合上游水位/下游水位/温度荷载正常蓄水 淤沙 温降 正常温降设计洪水 淤沙 温升 设计温升死水位 淤沙 温升 死水温升校核洪水 淤沙 温升 设计温升运算中淤沙高程 浮容重 /温度荷载见表 位移指向坐标正向时为正 指向坐标负向时为负 应力以压应力为正 以拉应力为负 计算成果分析 拱坝应力应变状态分析在坝体及坝基岩体三维有限元网格计算矩阵满足雅可比定理满射的前提下 通过 中拱坝有限元程序对拱坝坝体变位及应力进行分析 坝体变位通过程序计算得 种工况条件下各高程上下游坝面拱冠及左右拱端变位 限于篇幅仅给出工况 和工况 的计算值见表 从分析成果可知:在各工况下坝体顺河向均向下游变位 同一高程变位量值从拱冠至左右拱端逐渐减小 拱端顺河向变位极值在水推力大的中下部高程 坝体左右半拱顺河向变位基本对称 左坝端略大于右坝端 上游坝面:工况 条件下 坝体最大顺河向变位 在坝顶 高程拱冠 工况 条件下 坝体最大顺河向变位 在坝顶 高程拱冠 工况 条件下 坝体上 游 面 最 大 顺 河 向 变 位 在 坝 顶 高程拱冠 工况 条件下 坝体上游面最大顺河向变位 在坝顶 高程拱冠 建基面 高程顺河向变位 下游坝面:工况 条件下 右拱端在 至 达到极值 左拱端在 至 达到极值 工况 条件下右拱端在 达到极值 左拱端在 达到极值 年第 期水利技术监督理论研究表 拱坝上游坝面横河向及顺河向位移计算成果高程/上游坝面位移/工况 工况 右拱端 拱冠梁 左拱端 右拱端 拱冠梁 左拱端 下游坝面位移/工况 工况 右拱端 拱冠梁 左拱端 右拱端 拱冠梁 左拱端 注:表中 为横河向变位 为顺河向变位 工况、工况 和工况 条件下:上游面左右拱端中上部及下游面左右拱端均向两岸山体变位而上游面左右拱端下部均向拱冠变位 总体上左右半拱横河向变位分布近于对称 最大横河向变位 在左拱端 高程 总体横向变位量较小 工况 条件下:横河向变位上游坝面左、右坝段均向拱冠变位 最大横河向变位 在左拱端 高程 下游坝面顶部向拱冠变位 中下部均向两岸山体变位 最大横河向变位 在左拱端 高程 坝体应力 种工况条件下的坝体应力分析成果 见表 从分析成果可知:工况:上、下游坝面左右半拱主应力分布近于对称上游坝面主压应力表 上下游坝面主应力极值表工况上游坝面下游坝面最大主拉应力/最大主压应力/最大主拉应力/最大主压应力/(左拱中部)(拱冠)(拱冠)(右拱端)(左拱中部)(拱冠)(拱冠)(右拱端)(右拱端)(右拱端)(右拱端)(右拱端)(左拱中部)(拱冠)(拱冠)(右拱端)注:应力以拉为负 以压为正理论研究水利技术监督 年第 期 向坝体中腹部及右坝肩下部集中 主拉应力 集中下部 上游坝面基本处于受压状态 下游坝面 集中在两坝肩中部、下部 主拉应力 集中在腹部 工况:上游坝面主压应力 向坝体中腹部及右坝肩下部集中 主拉应力 集中在右坝肩上部和坝体下部 上游坝面基本处于受压状态与正常蓄水位工况基本一致 下游坝面 集中在两坝肩中部、下部 主拉应力 集中在腹部工况:应力分布规律与设计洪水工况一致 工况:上游坝面主压应力 向坝体腹部及右坝肩下部集中 主拉应力 集中下部 下游坝面 集中在坝体下部 主拉应力 集中在右坝肩上部规范要求应力控制指标为:基本组合容许拉应力为 特殊组合容许拉应力为 模拟分析成果表明 各种工况条件下坝体的最大主压应力、拉应力均在规定的允许范围内 坝基、肩最大主压应力主要分布在大坝中、下部 而两坝肩中、下部基岩以 /中厚层夹薄层白云岩为主 地基承载力均满足规范要求 成果对比分析为验证 有限元计算的准确性 将大坝安全评价 分析成果与原设计方案 分析成果进行对比验证 限于篇幅仅给出工况 拱坝上下游坝面左拱端及拱冠第一主应力计算值及应力曲线分布 见表 如图 所示图 工况(正常蓄水 温降)上下游坝面第一主应力曲线图表 工况 拱坝上下游坝面第一主应力表分析软件上游面第一主应力/下游面第一主应力/高程/左拱端拱冠高程/左拱端拱冠 从表 和图 可知 大坝安全评价 有限元分析成果与原方案 有限分析成果均表明:坝体最大拉、压应力主要分布在大坝中、下部(高程)最大压应力主要分布在下游面 最大拉应力分布在左拱端或左坝端上游面 大坝应力分布基本相同 仅在上游坝面拱端中下部存在少数奇异点 其余应力值大小接近且应力在坝面沿高程分布规律基本一致 因有限元计算成果受体型边界特征和网格划分质量影响较大 故出现部分少数奇异点合理 分析成果准确可信 结语利用 结构应力静动非线性三维有限元分析功能 对贵州盐津桥水库对数螺旋线双曲拱坝进行变形和应力分析 其计算成果符合一般拱坝坝体受力规律 可得如下结论()坝基及坝体变位分布基本对称 各平切面横河向变位呈现向山体内部推挤的变形特点 且在左右坝肩与岩体结合处最大 各平切面顺河向变位呈现向下游变形的特点 且大体沿高程降低而增大 在坝肩接合部位移梯度最大()大坝上游坝面基本处于受压状态 大坝下游坝面受压区集中在两坝肩中部和下部 下游坝面腹部存在受拉区 各平切面最大主应力随高程降低而增大 最小主应力随埋深增大而增大 浅表处可 年第 期水利技术监督理论研究出现小值拉应力()通过 模拟数值对比 验证了 进行复杂结构体静动力数值模拟的准确可靠性 后期还应根据工程运行实际监测结果结合数值模拟模型动态分析坝体结构应力分布规律 确保工程安全稳定运行参考文献 沈长松 王世夏 林益才 等.水工建筑物.北京:中国水利水电出版社.尹水良 周斌.基于面向对象设计的拱坝多拱梁法应力程序研究.江西水利科技 ():.邓宇轩 李勇泉 王均星 等.会人溪砌石拱坝局部加固研究.水电能源科学 ():.刘杰 荆帅召.不均匀坝基条件下混凝土拱坝失效模式分析.水利规划与设计():.罗键 曾旭.基于 对杨家园水电站大坝整体稳定的分析评价.红水河 ():.郑雄.拱坝的三维非线性有限元分析.河海大学学报():.张晶晶 罗居剑.三岔河水库拱坝应力分析与体型适应性复合.人民长江 ():.(上接第 页)费标准参照现状执行水价 元/(年户)标准收费 超过部分按建议执行水价收费 运行管护机制建设在明晰所有权的基础上 进一步明确工程使用权、经营权 落实管护主体 六师水利局为行业主管机关 负责对全师水利工程管护工作实施监管各团场为本辖区内小型水利工程的管护主体 连队具体承担小型水利工程使用和管护责任管理制度建设方面 根据六师农村供水工程建后管理办法的要求 明确各工程所有权归国家所有 经营权归项目所在团场所有 大型集中供水工程团场自主经营、自负盈亏 供水工程受益各连成立相应的供水管理站 人员工资从水费中提取 连队集中供水工程成立相应的连队自来水工程供水管理站 供水站自主经营、自负盈亏 供水站人员由水利站人员兼职 采取灵活多样的分配办法 把职工收入与岗位责任和工作绩效紧密联系起来 科学制定水价 同时保障用水户和水管单位双重利益工程运行机制方面 农村供水工程参照现代企业制度以企业经营模式运营 根据不同的工程类型和规模 从过去集体建设集体管理向集中管理、专业化运营方向发展 集中联片供水实行公司化管理 原有工程尽快实行产权改革 通过放开搞活经营 积极探索、借鉴企业的经营理念 遵循经济规律 实行有偿供水、独立核算、透明化服务的市场运作机制 行业主管部门加强水价核定和征收管理 按照“成本补偿、合理收益、优质优价”的原则核定水价 完善水费征收管理制度 足额收取水费 实现“以水养水 自我维护”保证农村饮水工程良性运行 确保工程长期发挥效益用水户参与方面 项目连队成立用水户协会参与供水工程建设和管理 团场连队两委加强用水户协会管理 明确农民在工程管理的主体和核心地位 扩大农民对工程建设和管理的知情权、参与权和监督权 调动鼓励农民参与管理积极性 消除损害工程可持续性的人为因素 结语第六师“十四五”农村供水保障规划是在基本解决农村饮水困难的基础上对供水保障方面的提高性工程 是项目区农村人民生活的基础设施 是解决饮水困难和饮水安全保障、加快两个文明建设和提高人民生活水平的主要措施 通过强化组织领导 逐级压实责任 引入市场机制 多方筹措资金 合理规划工程 规范建设管理 确保工程质量 加强运行管护 健全水价与运行管理双重机制的做法 对“十四五”期间第六师农村供水建设提供了有力指导和保障 下一步要科学开展工程设计 强化工程全过程管理 建立农村供水典型示范区和示范工程 为高质量完成规划内容提供坚实保障参考文献 胡孟 曲钧浦.推进农村供水工程标准化建设和管理.中国水利():.王跃国 赵翠 高奇奇.县域城乡供水一体化的推进措施与思路研究.水利发展研究 ():.李江 杰恩斯马坦 马军 等.新疆城乡供水一体化工程若干问题的思考.水利规划与设计():.贾立元.探究农村安全饮水工程规划设计.城市建设理论研究(电子版)():.李建军.“十四五”农村供水规划水量平衡分析研究.陕西水利():.王红霞.农村饮水存在的问题与工程规划设计对策.农家参谋():.