水利工程论文-六库水电站RCC纵向围堰堰基应力应变及稳定性分析.doc

水利工程论文-六库水电站RCC纵向围堰堰基应力应变及稳定性分析摘要：采用二维和三维非线性有限元分析方法，研究了六库水电站RCC纵向围堰堰基应力应变状态和稳定性。在此基础上对防渗墙各截面的剪力、轴力和弯矩进行计算研究，提出了配筋方案。计算表明，堰体位移大，堰体与防渗墙接头处附近存在应力集中现象，防渗墙的防渗效果显著，分载作用明显，右防渗墙承受的弯矩更大些，应加大其配筋率。关键词：有限元围堰应力应变防渗墙配筋率StressandStabilityAnalysisofLongitudinalRCCCofferdamFoundationofLiukuHydropowerStationAbstractThestressstateandstabilityoflongitudinalRCCcofferdamfoundationofLiukuhydropowerstationarestudiedusing2Dand3Dnon-linearfiniteelementmethod.Thentheshear、axialforceandbendingmomentofgoverningsectionsofanti-seepagewallsarestudied.Theresultshowsthatthemovementofcofferdamislargeandthestressconcentratesinjointofcofferdamandanti-seepagewalls.Besides,leakage-preventionandload-carryingcapacityofanti-seepagewallscanmeetengineeringrequirementandthesteelreinforcementrateofrightanti-seepagewallshouldbeincreasedduetoitslargerbendingmoment.Keywordsfiniteelementmethod，cofferdam，stress，deformation，anti-seepagewalls,steelreinforcementrate一工程概况六库水电站坝址区位于云南省怒江州首府六库城上游4.5km处的怒江“U”型峡谷中，江水流向由北东转为南西流出坝址。六库水电站为河床式电站。枢纽工程总体呈“一”字型布置，主体建筑物由混凝土重力坝、溢流坝、泄洪冲砂闸、主、副厂房等部分组成。纵向碾压混凝土围堰为永久建筑物，工程导流结束后不再拆除。纵向碾压混凝土围堰左侧设有4孔7.5m10.0m冲砂孔，底板高程798.0m，建基面高程794.5m。为了满足加固边坡、防止堰基掏刷及基础防渗要求，在堰基部位设置两道钢筋混凝土防渗墙（连续墙）。纵向围堰堰基座于冲积层上，冲积层厚度为15m20m，基岩为挤压破碎岩体，厚25m30m，以散体结构为主。冲积层渗透系数K=27.58m/d5.69m/d,属强中等透水性。冲积层以下为灰质粉晶白云岩。该地段分布的断层有F4、F5、F2-1，它们和围堰轴线成大角度斜交，呈陡倾角穿过堰基。由于特殊的地质条件和岩层分布，六库水电站纵向碾压混凝土围堰基础稳定是本工程的关键技术问题之一。二有限元分析原理2.1岩体强度与本构模型六库水电站纵向围堰堰基主要由软弱的砂卵砾石层和下伏散体结构组成，其特点是变形和强度力学指标低，易于发生塑性流动和屈服。为此，本次有限元分析采用低抗拉的岩体弹塑性本构模型开展研究。按低抗拉弹塑性模型分析，坝基岩体材料开裂条件用宏观强度描述:表1岩体物理力学参数表序号岩体代号变模E（GPa）泊桑比容重（t/m3）抗剪断强度渗透系数fC（MPa）K10-7（m/s）1砂卵砾石QAL-20.0480.352.10.5250.014757.02散体结构T2H0.0400.2802.700.3750.0578.73断层0.0400.3502.100.3500.0350.014围堰砼25.00.1672.451.100.9010-65钢筋砼防渗墙26.00.1672.451.100.900.016钢筋砼防渗隔板26.00.1672.451.100.900.017冲砂闸砼25.00.1672.451.100.9010-6825.00.1672.451.100.9010-69垫层砼25.00.1672.451.100.9010-6(i=1,2,3)式中ii表征应力张量三个主应力，分析中可能呈单向、双向及三向开裂情况，由程序自行校核并进行刚度修正。岩体是否进入塑性状态，按Druker-Prager准则判别：（2）式中I1和J2分别为应力张量的第一不变量和偏斜应力张量的第二不变量，k是与岩体材料摩擦系数tg和凝聚力C有关的常数，由下式计算：（3）弹塑性矩阵为：（4）式中：2.2软弱结构面非线性分析模型按层面法向抗拉材料分析，剪切滑移按Mohr-Coulomb条件校核：（5）式中Cj和tgj分别为软弱夹层抗剪强度参数。对于破碎带宽度较大的断层，按不抗拉弹塑性材料分析，是否进入塑性状态的判别条件仍采用Drucker-Prager准则，只是材料摩擦系数和凝聚力改用断层的相应值，本构矩阵仍沿用（4）式。2.3纵向围堰稳定安全系数计算方法在岩体稳定性分析评价中，常常采用以下三种稳定安全系数评价方法：（1）点强度储备安全系数（2）基础整体抗滑安全系数：包括超载安全系数、强度储备安全系数以及兼顾超载和强度储备的综合安全系数。（3）基础抗滑安全系数的条分法，例如瑞典圆弧法。本次有限元分析以强度储备法为稳定安全性的主要评价方法，并辅以瑞典圆弧法。强度储备法计算的基本方法是假定荷载不变，通过逐级下浮岩体强度参数，分析堰基变形破坏演变发展过程与超载倍数的关系，寻求堰基整体滑移时相应的岩体强度参数下浮倍数Kc，即作为堰基整体抗滑稳定的强度储备安全系数。三计算模型及计算参数3.1计算模型本次二维计算主要针对六库水电站纵向围堰的四个典型剖面来进行。如图1所示选定坐标系统，X轴平行于纵向围堰轴线，由下游指向上游；Y轴由左岸指向右岸；Z轴铅直向上。图2给出了剖面B的计算范围，Z轴从720m取至地表，原点距纵向围堰轴线水平距离111.749m，水平截取计算范围170m。剖面B共计剖分节点541个，单元491个。冲积层、基岩、混凝土采用实体元模拟。在防渗墙与周围基岩间布置了一层10cm厚夹层单元，以模拟刚度较大的防渗墙与相对软弱的外周基岩间的相对错动。图1纵向围堰有限元计算范围三维网格Y轴（横河向）由左岸指向右岸，z轴铅直向上，计算范围与二维网格一致。X轴由下游指向上游。如图1所示，共计切剖21个剖面，取顺河向长220m。计算模型考虑了5道防渗隔板。共计剖分节点10431个，单元9126个。图3绘出了有限元三维网格立体图。3.2岩体及结构面物理力学参数图2剖面B材料分区图各类岩层物理力学参数计算选用值如表1所示。各类岩体抗拉强度Rt可由Mohr-Coulomb准则导出：其中：C为凝聚力，为内摩擦角图3纵向围堰有限元三维网格立体图四研究方案在本次六库水电站纵向围堰堰基稳定分析中，其基本内容包括以下几个部分：（1