毕业论文 复杂荷载联合作用下的高拱坝应力、变形研究.doc

1 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写的成果作品 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 2010 年 6 月 2 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有 关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人 授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保 密 在 年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 2010 年 6 月 2 日 导师签名 2010 年 月 日 2 1 目目 录录 摘摘 要要 1 前前 言言 1 1 1 绪绪 论论 3 1 1国内外拱坝研究及发展现状 3 1 2当前拱坝研究的主要内容及进展 4 1 3拱坝的应用范围 分类以及结构特点 5 2 2 拱坝设计拱坝设计 7 2 1拱坝体型 7 2 2体型优化设计 7 2 3拱坝应力计算方法及说明 8 3 3 本文主要工作本文主要工作 1010 3 1主要研究内容 10 3 2论文主要成果 10 3 3锦屏拱坝工程概况及基本资料 10 3 4工程概况 12 3 5水文基本资料 12 3 6水库特性 13 3 7工程地质基本资料 14 3 8主要设计荷载及组合 14 3 9比较分析 24 4 4 封拱及蓄水过程对拱坝应力场的影响封拱及蓄水过程对拱坝应力场的影响 2424 5 5 锦屏高拱坝封拱及蓄水过程对拱坝应力场的影响锦屏高拱坝封拱及蓄水过程对拱坝应力场的影响 2525 5 1锦屏高拱坝施工期特征浇筑高程的确定 26 5 2 边浇筑边封拱 条件下坝体自重应力的计算 27 5 3锦屏高拱坝在施工期不同蓄水方案条件下坝体应力的分析计算 29 5 3 1 边浇边封拱边蓄水 条件下坝体应力分析计算 30 5 3 2 不同工况条件下坝体应力计算 30 2 5 4对上述八种工况计算结果小结 46 6 6 先浇后封拱形成完整拱坝后再蓄水条件下坝体应力分析计算先浇后封拱形成完整拱坝后再蓄水条件下坝体应力分析计算 4646 6 1工况 条件下坝体主应力等值线图 47 6 2工况 条件下坝体主应力等值线图 49 6 3工况 与 计算结果比较 51 7 7 边浇边封拱边蓄水边浇边封拱边蓄水 与与 先浇后封拱形成完整拱坝后再蓄水先浇后封拱形成完整拱坝后再蓄水 两种方案计算结果两种方案计算结果 的讨论的讨论 5151 7 1两种方案的比较与小结 52 8 8 结结 论论 5353 致致 谢谢 5555 参考文献参考文献 5656 1 复杂荷载联合作用下的高拱坝应力 变形研究复杂荷载联合作用下的高拱坝应力 变形研究 学 生 指导老师 大学水利与环境学院 摘摘 要要 高拱坝体形设计是关系到大坝安全和经济的关键技术问题 本文主要对高 拱坝在复杂荷载下应力应力与应变的分析 通过比较分析 选择最优方案 以锦屏双曲拱 坝为例 实现了拱坝体形优化设计 取得了较为理想的结果 AbstractAbstract High arch dam shape design is related to security and economic critical technical issues In this paper the high arch dam in the complex under the stress load of stress and strain analysis Comparative analysis To choose the best program to Jinping arch dam for example realized the optimization of arch dam design made a more satisfactory result 关关 键键 词词 应力 拱梁分载法 自重应力 温度荷载 边封拱边蓄水 先浇后封拱 Keywords Keywords Stress Arch cantilever method Gravity stress Temperature load Arch side edge sealing water After pouring the first arch closure 前前言言 随着中国西部大开发战略的逐步实施以及国家电力能源结构的调整 水电资源开发 力度加大 将有越来越多的大坝被修建 特别是高拱坝 高拱坝体形设计是关系到大坝 安全和经济的关键技术问题 锦屏一级水电站位于四川省盐源县 木里县交界的雅砻江干流 是雅砻江水能资源最 富集的中 下游河段5 级水电开发中的第1 级 水库正常蓄水位1880 m 死水位1 800 m 总库容77 6亿m3 调节库容49 1 亿m3 为年调节水库 电站装机容量360万KW 挡水建筑物 为混凝土双曲拱坝 坝顶高程1885 m 建基面最低高程1580m 最大坝高305m 此坝的特点是 库容大 淹没损失小 对下游梯级电站的补偿效益巨大 电站坝址位于普斯罗沟与手爬沟之 2 间1 5 km 长的河段上 河流流向为N25 E 河道顺直而狭窄 两岸谷顶山峰海拔高达 3500 4000 m 基岩裸露 岩壁耸立 为典型的深切 V 型河谷 左岸岸坡在1900m高程以 下为60 80 以上坡度变缓至45 左右 右岸岸坡在1810m高程以下为70 90 以 上岸坡变缓至40 坝址区地层岩性主要为变质岩 以大理岩 石英岩 砂板岩和片岩为 主 按岩性组合细分为8层 坝区规模较大的断层有30条 对坝肩稳定影响较大的有左岸的f5 f8 断层 右岸的f7 f13 f14断层 两岸坝肩还存在深部节理裂隙 层间挤压错动带 低波速带 岩体风化 卸荷等不良地质结构 本文主要对高拱坝在复杂荷载下应力应力与应变的分析 通过比较分析 选择最优 方案 具体研究工作如下 1 本文对国内拱坝优化设计的发展和现状进行了总结 提出了高拱坝体形设计的设计思路 以及常用的应力计算分析方法 2 通过先浇筑后封拱和边浇筑边封拱两种施工条件下 对拱坝的应力进行计算 分析和比 较 从而得出最优施工方案 3 以锦屏双曲拱坝为例 实现了拱坝体形优化设计 取得了较为理想的结果 在此基础上 提出了减小高拱坝应力与应变的方法和思路 通过坝体应力计算发现 采用多拱梁法 最大拉 压应力一般发生在 正常蓄水位 温降 工况上游面 对于浆砌石拱坝 还有不利组合是死水位 温升组合 最大拉应力也 可能发生在这个组合下的下游面 浆砌石坝设计规范 中也有提到最大拉应力主要发生 在 正常水位 温降 下游面河谷周边或近底层地带和 校核水位 温升 上游面中下部 梁底附近 在坝体应力计算基础上去计算拱座抗滑稳定发现 在 正常蓄水位 温降 工况下 坝肩抗滑稳定最不利 而 校核水位 温升 工况的抗滑稳定安全系数反而更大 这数值 不符合一般规律 正常算的安全系数大于校核安全系数值 有点疑惑 本人后又采用 正常蓄水位 温升 工况计算发现 此工况下的安全系数值是高于 校核水位 温升 工况的 因此 一般规律的前提条件应该是 坝体应力计算采用的荷载类型性质要一致 比如都是温降 都是温升下才能进行规律比较 本文主要应用拱冠梁法 3 1 1 绪绪 论论 1 11 1 国内外拱坝研究及发展现状国内外拱坝研究及发展现状 拱坝是一种经济性优良的坝型 7 它不仅能有效节省工程投资 而且能利用有利的 河谷形态和两岸基岩来承受巨大的水平推力 形成很好的受力条件 国内外拱坝的发展 概况拱坝作为坝身安全性和经济性都比较优越的坝型 在我国和世界各国都被广泛用 人类修建拱坝具有悠久的历史 早在一 二千年前 人们就已经意识到拱结构有很强的拦蓄水流的能力 开始建高 十余米的圆筒形污工拱坝 到二十世纪 20 40 年代美国开始修建较高的拱坝 包括高 99m 的巴菲罗比尔拱坝和高达 222m 的胡佛坝 在这一时期 拱坝设计理论和施工技术有 了较大的进展 如拱梁试载法应力分析 坝体温度计算和温度控制措施 坝体分缝和接 缝灌浆 地基处理技术等 50 年代以后 西欧各国和日本修建了许多双曲拱坝 在拱坝 体形优化 复杂地基处理 坝顶溢流和坝内开孔泄洪等重大技术上有了新的突破 从而 使拱坝厚度减小 坝高加大 即使在比较宽阔的河谷上修建拱坝也能体现其经济性 瑞 士于 1957 年修建的莫瓦赞拱坝是该时期拱坝发展过程的重要标志 也是拱坝发展历史上 的里程碑 进入 70 年代 随着计算机技术的发展 有限元和优化设计技术的逐步采用 使拱坝设计和计一算周期大为缩短 设计方案更加合理 水工及结构模型实验技术 混 凝土施工技术 大坝安全和监控技术的不断提高 也为拱坝的工程技术发展和改进创造 了条件 根据成立于 1926 年的国际大坝委员会 ICOLD 1988 年出版的大坝注册薄统计 截止 1986 年底 世界范围内己建拱坝坝高 超过 15m 的有 1608 座 我国是建造拱坝最多的国家 包括台湾省在内共 756 座 几乎占 全部拱坝总数的一半 因而中国享有 拱坝之乡 的美誉 我国修建的第一座拱坝可以 追溯到 1928 年在厦门建成的坝高 27 3m 的一座浆砌石拱坝 新中国成立后 我国水利水 电事业在防洪 灌溉 水电 航运以及供水事业的推动下迅速发展 在混凝土拱坝建设 方面 1958 年在安徽省建成第一座坝高 88m 的重力拱坝 响洪甸拱坝 1959 年在广东省 建成流溪河双曲拱坝 坝高 78m 19 年在山西省建成恒山双曲拱坝 坝高 68 7m 在砌石 拱坝方面 1960 年在河北省建成峡沟重力拱坝 1970 年在河南省建成柿园砌石重力拱坝 4 坝高 78 8m 从 1971 年起 我国拱坝建设进入了一个新的阶段 根据中国大坝委员会 的统计 截止 1998 年底 中国已建成高度 30m 以上的拱坝 521 座 其中包括高 240m 的 二滩拱坝 高 178m 的龙羊峡拱坝 建坝的数量到 90 年代已占世界总数的 1 2 居世界首 位 地基处理和枢纽布置等方面都有了很大的进展 积累了很多有益的经验 并在某些 方面显示出我国的特点 随着国家西部大开发战略号角的吹响以及国家电力能源结构的 调整 我国在西南地区将要修建一批 300m 级的高拱坝 我国高拱坝的建设进入一个新的 高潮 西南地区的河谷狭窄 水流落差较大 许多地方适合修建拱坝 且多数为高拱坝 如澜沧江小湾拱坝 坝高 292m 金沙江溪洛渡拱坝 坝高 278m 雅碧江锦屏一级拱坝 坝高 31Om 坝高都超过了已建成的最高的英古里拱坝 坝高 272m 工程量也超过了现 有的世界水平 标志着我国在拱坝的勘测 设计 施工和科研方面已经达到了一个新的 水平 跨入了世界先进行列 高拱坝在我国有着广阔的发展前景 但由于国内外缺少可 以借鉴的工程经验 高拱坝的许多技术问题成为国内外众多学者关注的对象 1 21 2 当前拱坝研究的主要内容及进展当前拱坝研究的主要内容及进展 对于合适的坝址 拱坝是一种经济性和安全性都很好的坝型 拱坝在平面上呈凸向 上游的拱形 它借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩 主要是利用 拱端基岩的反作用来支承 拱圈截面上需要承受轴向反力 可充分利用筑坝材料的强度 拱坝的体形是决定拱坝稳定和安全的主要因素之一 相同的坝体方量 不同的拱坝体形 拱坝的安全度差异可能会很大 拱坝的空间结构体形很复杂 确定其体形的参数很多 加之影响拱坝体形的因素很多 传统经验性的设计方法很难兼顾安全性与经济性的要求 所以拱坝 特别是高拱坝 体形的优化设计具有重要的现实意义 随着我国西部大开发战略的逐步实施以及国家电力能源结构的调整 8 我国西部 特别是西南地区 的水电能源开发将更加显得重要 西南地区有许多坝址适合修建高 拱坝 如近期开发的澜沧江小湾拱坝 坝高 292 米 金沙江溪洛度拱坝 坝高 273 米 锦屏拱坝 坝高 305 米 等 其坝高都超过目前世界上最高的拱坝 格鲁吉亚的英古里 拱坝 坝高 272 米 要建造坝高在 300 米级的特高拱坝 按我国现行规范的要求 当坝 高超过 250 米时 拱坝必须进行专门立项研究 为此 经过多年的努力和刻苦钻研 我 国学者和专家对高拱坝的设计 施工及一系列的技术问题进行了深入的研究本世纪以来 5 人们对拱坝的形状和结构性态的研究和探讨已取得了多次突破性的成就 对于影响拱坝 安全的重要因素也有深入认识 然而尽管如此 拱坝设计中仍有不少问题并未完全解决 尚待继续探索 研究坝体应力方面相对比较深入 但研究拱坝的稳定及其外部部件 即 坝与地基以及坝与水库的相互作用等复杂多变的因素则相应比较不足 然而在这一方面 由于垮坝事故和 80 年代若干高拱坝的严重损坏事故 已经引起人们的警惕和重视 认识 到拱坝的安全主要依赖于受人为因素和自然环境影响的复杂多变的地基 需要继续重点 加强研究 1 31 3 拱坝的应用范围拱坝的应用范围 分类以及结构特点 分类以及结构特点 拱坝应用范围的扩大 主要表现在不利的坝址地形条件下修建拱坝 早年认为坝顶长 与坝高之比小于3时宜建拱坝 近几十年来已逐渐扩大其应用范围 拱坝对地形的要越来越 宽 已建的中小型拱坝宽高比可达6以上 坝高100 150 m量级的高拱坝 宽高比一般在3 2 4 5 如白山拱坝为4 525 二滩拱坝为3 21 以前认为拱坝适宜于对称河谷 目前对河 谷对称性要求已不再强调 且在不对称河谷中修建了非对称拱坝 而且在不规则河谷 修建 拱坝的情况也不少 或两岸基岩高程不够而修建重力墩 有的使用混凝土填塞深槽 设垫 层 以及调整圆心 半径等方式使河谷形状满足要求 如龙羊峡重力拱坝 李家峡双曲拱 坝 还有对坝基岩石的强度要求也降低了 四川省在基岩为较软弱的页岩和砂页岩互层上 成功地修建了一批中小型砌石拱坝 另外对岩石不均一 断层与裂隙较多 河床有深覆 盖层以及风化 破碎较深的坝基进行了大量的基础工程处理 也成功地修建了拱坝 如贵 州窄巷口拱坝 坝高44 5 m 河床覆盖层厚27 m 进行了坝基处理 在高地震烈度区修建高 拱坝 如二滩 小湾 拉西瓦 溪洛渡拱坝等 按照不同的分类原则 拱坝可以分为许多种类 1 按照坝高划分为 低坝 即坝高小于 30m 的拱坝 中坝 即坝高 30 70 m 的拱坝 高坝 即坝高 70 120m 的拱坝 特高拱坝 即坝高大于 120m 的拱坝 2 按照水平拱圈的型式划分为 6 单心圆拱坝 多心圆拱坝 抛物线拱坝 椭圆线拱坝 对数螺旋线拱坝 双曲线拱坝 一般二次曲线拱坝 3 按照拱厚划分为 薄拱坝 其厚高比 即坝基宽与最大坝高之比 小于 0 2 中厚拱坝 其厚高比为 0 2 0 35 厚拱坝 其厚高比大于 0 35 4 按照中心角和半径沿高度变化与否划分为 定心定径拱坝 等角拱坝 变角变径拱坝 5 按照拱坝垂直向有无曲率划分为 单曲拱坝 在垂直向无曲率或者基本没有曲率 双曲拱坝 在垂直向有曲率 6 按照建筑材料划分为 砌石拱坝 混凝土拱坝 钢筋混凝土拱坝 7 按照对称与否可以划分为 对称 基本对称 拱坝 不对称拱坝 当然除 地形外尚包括地质条件 8 按照拱圈厚度是否变化可以划分为 等厚拱坝 变厚拱坝 9 按照河谷相对宽度的宽窄可以划分为 宽谷拱坝 其弧高比妻 1 4 2 5 的拱坝 窄谷拱坝 其坝顶高程处河谷宽与坝高比值成 1 即大体弧高比为 1 2 左右以下 的拱坝 拱坝属于一种比较经济合理的坝型 拱坝的外荷载主要是通过坝体中拱的作用传递 到坝肩岩体 部分荷载通过坝体悬臂梁的作用传至坝基 整个坝体应力状态是以受压为 主 拱坝的这一特性能充分利用筑坝材料 混凝土或者砌石材料 抗压强度高的性能 从 而可以节约材料 降低工程造价 拱坝的稳定性主要是依靠坝肩岩体来维持 体积也比 其他混凝土坝型小得多 且坝越高经济性越显著 拱坝属于周边嵌固的高次超静定结构 当外荷载增大或者坝的某一部位因为拉应力过大而发生局部开裂时 拱坝自身可以随意 调整拱的作用和梁的作用 从而进行其荷载的重新分配 进行坝内应力重新分配 不会 导致整体大坝丧失全部的承载能力 因此裂缝对拱坝的影响不像其他坝型那样严重 而 且拱坝水平裂缝中的扬压力只会降低坝体悬臂梁的作用 但是一般的拱坝都是以独立的 水平拱设计的 悬臂的作用仅仅作为一种安全的裕度 铅直裂缝会导致拱圈未开裂部分 7 的应力增加 原来的坝体拱圈会变成具有更小曲率半径的拱圈 坝内应力重新分配后 成为无拉应力的有效拱 所以按照结构稳定的观点 拱坝的坝面是允许局部开裂的 况 且在两岸具有坚固岩体支撑的良好条件下 坝体的破坏主要取决于压应力是否超过筑坝 材料的抗压强度极限 而实际生活中用于筑坝的混凝土材料均具有一定的塑性和徐变特 性 在局部应力特大的部位 变形受限制的情况下 经过一段时间 混凝土的徐变变形 增大 弹性变形减小 从而这些特大应力有所降低 因此拱坝在合适的地质 地形条件 下具有较强的超承载能力 也具有很好的抗震性能 综上所述 拱坝是一种坝身以及基 础工作条件好 超载能力较强的坝工结构 有最可靠的防御洪水和涌浪翻坝的能力 其 抗震性能好 垮坝事故率低和耐久性都能够得到保证的水坝 综合安全性能高 同时相 对其他坝型而言 具有较大的经济性 2 2 拱拱坝坝设设计计 2 12 1 拱坝体型拱坝体型 拱坝型以前多采用圆弧拱 随着国外非圆弧拱坝的修建 近二十几年内中国也在逐渐 推广非圆弧拱 选用合理的体型有利于改善拱端的推力方向 减少拱端弯矩 对整个坝体 应力及倒悬情况都有利 最优的情况就是拱轴线与荷载压力线吻合 每一类形状的拱都有 它的优缺点 圆弧拱应力分布较好 体型简单 便于设计 施工 但适宜较大的中心角 故岸 坡交角不大理想 双曲线拱因适宜的中心角较小 拱弧较平 岸坡稳定性相对较好 但往往 应力较大 一般要在应力方面做出一些让步来换取岸坡稳定性 其它几种非圆弧拱的情况 介于二者之间 每一种形状的拱在一定的厚度及跨度下 都有适宜的中心角范围 在此范 围内 应力分布较匀缓 数值也不大 一般来说 圆弧拱 椭圆拱适宜的中心角较大 其次 为抛物线 对数螺旋线拱和五心拱 而双曲线拱适宜的中心角小 设计体型时需结合具体 情况与曲线特性 趋利弊害 加以分析 调整 宜重视体型布置的连续性原则 无论是建基 面轮廓还是拱梁轮廓 都要保持体型连续 防止因某一部分体型突变所引起的位移不协调 或应力集中 2 22 2 体型优化设计体型优化设计 随着拱坝技术的发展 拱坝体型的优化经历了由简单到多样化 设计方法由手工发展 为智能优化CAD系统 应力计算方法从初期的拱冠梁法 一维有限元法到拱梁分载法 三 8 维有限元法 优化计算方法从最初的满应力 变尺度法到复形法 罚函数法 序列二次规划法 广义乘子法等 现在 一些学者把可靠度理论 遗传算法以及神经 网络等引入到拱坝体型优化当中 从传统的确定性设计发展到模糊优化设计 从静力优化 发展到考虑地震荷载的动力优化 目标函数从单目标优化发展到双目标优化和多 目标的体型优化 发展和完善了中国提出的建立在拱坝优化的基础上的二次曲线及混 合曲线拱坝新体型 使拱坝优化技术能适应高拱坝的体型设计 为小湾 溪洛渡等水电站 的设计 混合曲线及二次曲线已用于江口 下会坑 大奕坑 瑞洋二级 双坑口 均溪 二级 溪尾 铜山一级 黄水坑 金龙 东吴 奇艺等10余座水电站拱坝工程 其中4座 已完工 至今运行正常 最大坝高140 m 可以逐步用于更高的拱坝 其中计算机可视化设 计技术和设计信息的可视化技术 有助于整个工程设计过程一体化 使设计者看到和了解 设计过程中参数变化对整体的动态影响 从而达到缩短设计周期 节省工程费用的目的 最近提出了一种新的拱坝形状优化方法 这种方法使得优化后的形状并非只能限于优化初 始设定的区域 随着拱坝高度的增加 坝踵开裂的概率越来越大 将拱坝开裂分析引入体 型优化中 进行开裂约束下的拱坝体型优化设计 首先对拱坝体型进行常规优化设计 然 后进行开裂分析 分析结果表明优化效果较为明显 同时发展了考虑地震荷载 控制坝踵 开裂及考虑抗滑稳定安全系数约束的体型优化 形成了一个完整的拱坝体型优化系统 使 中国拱坝优化技术达到很高的水平 首次提出拱坝与地基耦合地震波动响应时域计算模 型 用于小湾工程高拱坝的动力分析 得出地基辐射阻尼效应可明显降低拱坝动力反应和 降低拱坝与地震卓越周期的共振效应的结论 对强震区高拱坝设计有重要意义 2 32 3 拱坝应力计算方法及说明拱坝应力计算方法及说明 1 圆筒法 圆筒法是把拱坝当作是铅直圆筒的一部分 采用圆筒公式进行计算 它是拱坝计算 中使用最早 最简单的方法 适用于承受均匀外水压力的等截面圆弧拱圈 只能粗略地 求出径向截面上的均匀应力 它不考虑拱在两岸的嵌固条件 不能计入温度及地基变形 的影响 因而不能反应拱坝的真实工作状态 2 纯拱法 纯拱法假定拱坝由一系列各自独立互不影响的水平拱圈叠合而成 每层拱圈简化为 9 两端固结的平面拱 用结构力学方法求解拱的应力 该方法虽然可以计入每层拱圈的基 础变位 温度 水压力等的作用 但忽略了拱坝的整体作用 求得的拱应力偏大 也不 符合拱坝的真实工作情况 但该法计算简便 概念明确 对于在狭窄河谷中修建的拱坝 不失为一种简单实用的计算方法 同时纯拱法也是拱梁分载法的重要组成部分 分配给 拱的荷载需要用它来计算水平拱圈的应力 3 拱梁分载法 拱梁分载法把拱坝看成由一系列水平拱圈和一系列铅直梁所组成 荷载由拱和梁共 同承担 各承担多少荷载由拱梁交点处变位一致条件决定 荷载分配后 梁按静定结构 计算应力 拱按纯拱法计算应力 确定拱梁荷载分配的方法可以用试荷载法 也可以用 计算机求解联立方程组来代替试算 拱梁分载法在拱梁荷载分配时需考虑拱梁每个交点 处的变位协调 4 拱冠梁法 只取拱冠处一根悬臂梁 根据各层拱圈与拱冠梁交点处径向变位一致的条件求得拱 梁荷载分配 且拱圈所分配到的径向荷载从拱冠到拱端为均匀分布 认为拱冠梁两侧梁 系的受力情况与拱冠梁一样 5 壳体理论法 早在 20 世纪三十年代 F 托尔克就提出了用薄壳理论计算拱坝的近似方法 但由于 坝体形状和几何尺度以及边界条件的复杂性 使这种方法受到很大限制 随着计算机的 广泛应用 薄壳理论计算法也有了很大的发展 6 有限单元法 将拱坝连同地基这一连续的整体空间结构离散为有限个单元构件 以结点互相连接 通过建立结点位移和结点力之间的平衡方程 求得结点位移进而求出单元应力 1 通过坝体应力计算发现 采用多拱梁法 最大拉 压应力一般发生在 正常蓄水 位 温降 工况上游面 对于浆砌石拱坝 还有不利组合是死水位 温升组合 最大拉应 力也可能发生在这个组合下的下游面 浆砌石坝设计规范 中也有提到最大拉应力主要 发生在 正常水位 温降 下游面河谷周边或近底层地带和 校核水位 温升 上游面中 下部梁底附近 2 在坝体应力计算基础上去计算拱座抗滑稳定发现 在 正常蓄水位 温降 工况 10 下 坝肩抗滑稳定最不利 而 校核水位 温升 工况的抗滑稳定安全系数反而更大 这 数值不符合一般规律 正常算的安全系数大于校核安全系数值 有点疑惑 本人后又采 用 正常蓄水位 温升 工况计算发现 此工况下的安全系数值是高于 校核水位 温升 工况的 因此 一般规律的前提条件应该是 坝体应力计算采用的荷载类型性质要一致 比如都是温降 都是温升下才能进行规律比较 本文主要应用拱冠梁法 3 3 本本文文主主要要工工作作 3 13 1 主要研究内容主要研究内容 本文针对上述存在的问题 结合锦屏高拱坝地形和地质资料 在大坝体型及运行工况 一定时 以坝基不同岩层变形模量作为设计变量 通过坝基变形模量的优化设计 寻求 坝体最佳压应力 拉应力分布 更重要的是找出坝体应力场最佳状况坝基变形模量值的 大小 为今后基础处理提供有力的技术指导和智力支持 同时 根据施工组织设计提供 的工程进度安排 初步拟定拱坝封拱高程的部位 并根据拟定的高程开展拱坝在施工期 封拱及蓄水过程对拱坝应力场的影响及其优化研究 为设计和施工提供依据和技术支持 具体内容包括 3 23 2 论文主要成果论文主要成果 1 选定不同的封拱方案及蓄水过程 并研究封拱蓄水过程对拱坝应力场的影响 3 软件开发上 利用 Visual For5 0 软件对拱坝封拱进行计算 4 在应用上 通过两种不同的浇注封拱进行比较 分析封拱蓄水过程对拱坝应力场的影 响 选择最优方案 3 33 3 锦屏拱坝工程概况及基本资料锦屏拱坝工程概况及基本资料 锦屏一级水电站位于凉山彝族自治州木里 盐源 冕宁三县交界处 地处边远山区 深山峡谷地带 系雅砻江中下游从卡拉至河口河段水电规划梯级开发的龙头水库 其下 游的二滩电站已于 1998 年 7 月建成发电 官地水电站已经通过可研阶段的设计审查 锦 屏一级水电站由挡水 泄水 引水 厂房等主要建筑物组成 设计装机容量 3300MW 正 常蓄水位 1880m 水库库容 77 7 亿 m3 挡水建筑物为混凝土双曲拱坝 建基面高程 1580m 坝顶高程 1885m 最大坝高 11 305m 最大底宽 60m 是世界上拟建的最高拱坝 坝体混凝土方量 436 万 m3 大坝混凝土 浇筑块最大长度 60m 最大浇筑面积约 1400m2 坝身设有表孔 中孔 临时导流底孔等设 施 拱坝结构复杂 是一座修建在复杂地基上的高拱坝 坝址处多年平均气温为 17 2 极端最高气温为 39 7 极端最低气温为 3 多 年平均水温为 12 2 多年平均地温为 19 6 多年平均相对湿度为 67 最大风速 13m s 因锦屏坝址温度年变幅大 温度荷载是锦屏拱坝的一项主要荷载 据专家研究 表明 由温度荷载在拱坝产生的应力可以达到总应力的 1 3 1 2 1 2 温度荷载产 生的位移有时还大于水荷载产生的位移 温度荷载产生的拱端力一般也在总推力的 1 5 1 3 左右 因此温度荷载对拱坝的应力 稳定及变形都有着显著的影响 基于温 度荷载的特殊性 许多新方法和新理论被用来分析和处理拱坝温度荷载 例如封拱温度 场优化和施工仿真分析 通过上述的研究能有效地改善坝体应力 位移及受力条件 但 上述方法未考虑坝基岩体优化力学参数 因而无法解决受基础影响所带来的坝体应力 位移分布的不均匀性和不对称性 究其原因主要是 一旦荷载 施工条件 施工过程 封拱温度场被确定 则坝体的应力 位移主要受坝体的支撑部位如河床坝基和左右两岸 山体岩石的力学参数决定 锦屏拱坝地处青藏高原东侧边缘地带 属川西高原地区 该 区域地质构造复杂 区域构造应力场对拱坝的施工和运行管理影响明显 鉴于锦屏高拱坝特殊的地质条件和气候条件 有必要研究拱坝的温度场分布及施工期 封拱蓄水过程 在封拱温度场优化方面 三峡大学曾做过大量研究并取得丰富成果 国 外学者也曾提出过相似的观点 但由于应用前景所限 后来不了了之 在国内 高混凝 土拱坝的建设方兴未艾 采用梯度法封拱 不仅在理论上是有依据的 在实际施工中 也是方便可行的 三峡大学已经开发了相应软件 并制作了工程师可以查阅的图表 其 应用前景是显而易见的 值得大力推广 当封拱温度改变时 相应的温控措施就需要调 整 其效果的好坏 既可以采用多拱梁法验证 也可以用有限元方法计算进行比较 以 确保温控措施选用的合理性 以及材料应用是否恰当 根据锦屏项目提前发电与施工进度安排 分期施工与分期蓄水的方案如下 坝体 从 1580m 高程浇筑至 1630m 坝体从 1630m 高程浇筑至 1690m 高程 并封拱灌浆至 1630m 坝体从 1690m 高程浇筑至 1750m 高程 并封拱灌浆至 1690m 坝体从 1750m 高程浇筑至 1810m 并封拱灌浆至 1750m 坝体从 1810m 高程浇筑至 1830m 12 封拱灌浆至 1810m 上游蓄水至 1806 63m 高程 I 坝体从 1830m 高程浇筑至 1870m 封拱灌浆至 1830m 上游蓄水至 1806 63m II 坝体从 1870m 高程浇筑至 1885m 封拱 灌浆至 1870m 上游蓄水至 1806 63m 高拱坝设计单位对上述 7 个阶段的应力都进行了 计算 结论是很乐观 但有几点需要说明 a 施工期坝体温度不会达到稳定温度 按正 常的温度荷载计算临时坝体应力没有意义 b 下部蓄水将会导致上部横缝压紧 影响灌 浆质量 c 蓄水温度以及泥沙温度对坝体上游表面应力具有决定性的意义 需要通过 分阶段计算 才有结论 所以 完全有必要在考虑混凝土施工与温控的基础上 进一步 地对封拱蓄水过程进行研究 另外 拱坝整体结构随大坝浇筑 封拱不断推进而逐渐形 成的 坝体结构形式在施工过程中是变化的 正因为结构形式是变化的 在浇筑 封拱 过程中坝体承受的荷载形成的力学效应也是不断变化的 而坝体浇筑 封拱 甚至蓄水 过程是可以人为改变的 因此 在设计过程中 我们就可以人为选择一种对坝体安全 经济 施工均较为有利的施工过程这不仅有利于施工期的安全度汛 更重要的是根据施 工期的进度合理安排温控措施和极大限度节约温控费用 3 43 4 工程概况工程概况 锦屏一级水电站位于四川省盐源县 木里县交界的雅砻江干流 是雅砻江水能资源 最富集的中 下游河段五级水电开发中的第一级 电站以发电为主 兼有防洪 拦沙等 作用 水库正常蓄水位 1880 米 总库容 77 6 亿立方米 死水位 1800 米 调节库容 49 1 亿立方米 为年调节水库 电站装机容量 360 万千瓦 装机年利用小时数 4836 小时 年 发电量 174 1 亿度 挡水建筑物为混凝土双曲拱坝 坝顶高程 1885 米 建基面最低高程 1580 米 最大 坝高 305 米 正常蓄水位时 坝体承受总水推力近 1200 万吨 3 53 5 水文基本资料水文基本资料 1 径流特征值 根据多年实测水文资料 各径流特征值如下 多年平均流量 1200m3 s 多年平均年径流量 378 亿 m3 13 实测最大流量 8020 m3 s 实测最小流量 236 m3 s 调查历史最大洪水流量 11300 m3 s 2 洪水流量 根据实测与插补延长洪水系列进行分析 不同频率的入库洪水流量见表 3 1 表表 3 13 1 不同频率的入库洪水流量不同频率的入库洪水流量 洪水频率 P 万年一遇 0 01 五千年一遇 0 02 千年一遇 0 1 五百年一遇 0 2 二百年一遇 0 5 洪水流量 m3 s 1610015400136001280011700 洪水频率 P 百年一遇 1 五十年一遇 2 三十年一遇 3 3 五年一遇 20 二年一遇 50 洪水流量 m3 s 1090010000937069205390 3 气象 锦屏一级坝址地处青藏高原东侧边缘地带 属川西高原气候 受高空西气环流和西 南季风的影响 干 湿季分明 每年 11 月至次年 4 月为干季 降雨量少 日照多 湿度 小 日温差大 5 月至 10 月为雨季 气温高 湿度大 日照少 日温差小 根据当地水 文站统计的资料 坝址区主要的气象要素分别如下 坝区多年平均温度为 17 20C 极端 最高气温 39 70C 极端最低气温 30C 坝区多年平均水温为 12 20C 平均地温 19 60C 坝址区最大风速发生在 4 月份和 8 9 月份 历年 4 月份风向 S 最大风速 13m s 历年 8 9 月份风向 N 最大风速 12m s 地区降雨量主要集中在 6 7 8 9 四个月 占全年 雨量的 84 在其他月份 蒸发量大于降雨量 3 63 6 水库特性水库特性 正常蓄水位 1880 米 死水位 1800 米 14 正常蓄水位以下库容 77 6 亿立方米 调节库容 49 1 亿立方米 死库容 28 5 亿立方米 水库调节性能 年调节 3 73 7 工程地质基本资料工程地质基本资料 锦屏一级水电站位于四川省盐源县 木里县交界的雅砻江干流 是雅砻江水能资源最 富集的中 下游河段5 级水电开发中的第1 级 水库正常蓄水位1880 m 死水位1 800 m 总 库容77 6亿m3 调节库容49 1 亿m3 为年调节水库 电站装机容量360万KW 挡水建筑物 为混凝土双曲拱坝 坝顶高程1885 m 建基面最低高程1580m 最大坝高305m 此坝的特 点是库容大 淹没损失小 对下游梯级电站的补偿效益巨大 电站坝址位于普斯罗沟与手 爬沟之间1 5 km 长的河段上 河流流向为N25 E 河道顺直而狭窄 两岸谷顶山峰海拔 高达3500 4000 m 基岩裸露 岩壁耸立 为典型的深切 V 型河谷 左岸岸坡在1900m 高程以下为60 80 以上坡度变缓至45 左右 右岸岸坡在1810m高程以下为 70 90 以上岸坡变缓至40 坝址区地层岩性主要为变质岩 以大理岩 石英岩 砂板岩和片岩为主 按岩性组合细分为8层 坝区规模较大的断层有30条 对坝肩稳定影响 较大的有左岸的f5 f8 断层 右岸的f7 f13 f14断层 两岸坝肩还存在深部节理裂 隙 层间挤压错动带 低波速带 岩体风化 卸荷等不良地质结构 3 83 8 主要设计荷载及组合主要设计荷载及组合 1 主要设计荷载 a 水 沙荷载 工况 1 上游正常蓄水位 1880 米 相应下游水位 1640 米 工况 2 上游设计洪水位 1880 26 米 相应下游水位 1640 米 工况 3 上游校核洪水位 1883 46 米 相应下游水位 1658 80 米 工况 4 死 水 位 1800 米 相应下游水位 1640 米 上游淤沙高程 1644 1 米 淤沙浮容重 5KN m3 淤沙内摩擦角 0 度 b 坝体混凝土主要参数 15 混凝土容重 24KN m3 弹性模量 24 0Gpa 泊 松 比 1 6 线膨胀系数 0 85 10 5 0C c 温度荷载 按照 混凝土拱坝设计规范 推荐的公式 计算得出拱冠梁剖面各个设计高程的温 度荷载见下表 表表 3 23 2 设计高程封拱温度及温度荷载 设计高程封拱温度及温度荷载 0 0C C 高程 项目 1885187018301790175017101670163016001580 封拱温度 0C 15151414131313131313 T m 0 040 02 0 10 0 300 700 720 730 660 20 0 10 设计温降 0C T d 0 000 493 504 424 714 814 885 024 534 20 T m 4 362 270 970 471 341 281 271 040 35 0 10 设计温升 0C T d 0 003 737 578 038 027 997 927 185 384 20 注 应力以压为正 单位为 Mpa 2 荷载组合 根据规范规定 在拱坝设计中 主要采用以下荷载组合 a 基本组合 I 上游正常蓄水位 相应下游水位 泥沙压力 自重 温降 b 基本组合 II 上游死水位 相应下游最低尾水位 泥沙压力 自重 温降 c 基本组合 III 上游正常蓄水位 相应下游水位 泥沙压力 自重 温升 d 基本组合 IV 上游死水位 相应下游最低尾水位 泥沙压力 自重 温升 e 特殊组合 I 上游校核洪水位 相应下游水位 泥沙压力 自重 温升 16 f 特殊组合 II 基本组合 I 地震 对上面 4 种工况进行应力计算 等值线结果如下 工况 1 当上游正常蓄水位为 1880 米 相应下游水位为 1640 米时 应力场主应力等值 线图 结果如下 最小值 最大值 图图 3 3 1 1 坝坝体体下下游游面面第第一一主主应应力力 17 最小值 最大值 图图 3 3 2 2 坝坝体体上上游游面面第第一一主主应应力力 最小值 最大值 图图 3 3 3 3 坝坝体体下下游游面面第第二二主主应应力力 18 最小值 最大值 图图 3 3 4 4 坝坝体体上上游游面面第第二二主主应应力力 工况 2 当上游设计洪水位为 1880 26 米 相应下游水位为 1640 米时 应力场主 应力等值线图 结果如下 最小值 最大值 图图 3 3 5 5 坝坝体体下下游游面面第第一一主主应应力力 19 最小值 最大值 图图 3 3 6 6 坝坝体体上上游游面面第第一一主主应应力力 最小值 最大值 图图 3 3 7 7 坝坝体体下下游游面面第第二二主主应应力力 20 最小值 最大值 图图 3 3 8 8 坝坝体体上上游游面面第第二二主主应应力力 工况 3 上游校核洪水位为 1883 46 米 相应下游水位为 1658 80 米时 应力场主应 力等值线图 结果如下 最小值 最大值 图图 3 3 9 9 坝坝体体下下游游面面第第一一主主应应力力 21 最小值 最大值 图图 3 3 1 10 0 坝坝体体上上游游面面第第一一主主应应力力 最小值 最大值 图图 3 3 1 11 1 坝坝体体下下游游面面第第二二主主应应力力 22 最小值 最大值 图图 3 3 1 12 2 坝坝体体上上游游面面第第二二主主应应力力 工况 4 当死水位为 1800 米 相应下游水位为 1640 米时 应力场主应力等值线图 结果如下 最小值 最大值 图图 3 3 1 13 3 坝坝体体下下游游面面第第一一主主应应力力 23 最小值 最大值 图图 3 3 1 14 4 坝坝体体上上游游面面第第一一主主应应力力 最小值 最大值 图图 3 3 1 15 5 坝坝体体下下游游面面第第二二主主应应力力 24 最小值 最大值 图图 3 3 1 16 6 坝坝体体上上游游面面第第二二主主应应力力 3 93 9 比较分析比较分析 根据工况 1 2 3 4 的计算结果表明 坝体形状 尺寸 材料及荷载一经确定 坝体应力与坝基变形模量关系十分密切 可通过基础处理来调整不同高程的基础变形模量从而改善坝体应力 稳定及变形的分布 和大小 4 4 封封拱拱及及蓄蓄水水过过程程对对拱拱坝坝应应力力场场的的影影响响 为减小施工期的温度应力 混凝土拱坝一般采用横缝将坝体分为若干坝段分层浇筑 当坝体温度冷却到一定温度时 再进行横缝的接缝灌浆 这就是 封拱 21 封拱 时坝体的温度即 封拱温度 早期中低高的中厚拱坝 一般采用先将坝体浇筑到坝顶 然后进行纵 横缝的灌浆 即 先浇后封拱 的施工方法 从而使各坝段形成完整的 拱坝结构 随着双曲拱坝的发展以及坝高的不断增长 为解决大坝浇筑过程中的自重应 力问题 以及施工工期问题 常采用 边浇边封拱 的施工方案 即上部不断浇筑新 的混凝土 下部坝体部分不断冷却 当坝体温度达到要求时即进行接缝灌浆 当坝体浇 筑到坝顶时 接缝灌浆可以很快完成 有些工程为了解决施工度汛或提前蓄水发电问题 常采用 边浇边封拱边蓄水 的施工方法 25 拱坝在封拱灌浆之前 坝体各坝段相互独立 呈独立悬臂梁的结构形式 此时一个 坝段受荷载作用时只在该坝段自身产生应力 对其它坝段无影响 考虑基础变形对其它 坝段会产生微弱影响 但可以忽略不计 其应力计算可以按独立悬臂梁结构进行 当 拱坝封拱灌浆坝体形成整体或部分整体之后 此时坝体再施加任何荷载则在大坝整体或 部分整体结构上产生复杂的三向应力 应力计算应按三维空间结构进行 正因为拱坝在施工过程中结构形式是一个渐变过程 其中影响结构形式变化最大的 是横缝的接缝灌浆过程 即 封拱过程 因此封拱过程对坝体应力有较大的影响 如 先浇后封拱 的施工方法 其自重应力为独立悬臂梁的结构应力 而 边浇边封拱 的坝体自重应力的精确模拟计算是相当复杂的 这就是新浇块在本块产生的自重应力按 独立的悬臂梁计算 但该块自重在下部已封拱部分产生的自重应力应按已封拱部分形成 的部分整体结构受新浇筑块自重作用计算应力 除自重应力受封拱过程影响明显外 封拱与蓄水过程的不同 水压力在坝体中产生 的应力影响也会不同 如 先浇后封拱 一次性形成整体后再蓄水 则水荷载产生的 应力按整体结构计算 任何一个水位所提供的水压力均会在坝体各个点产生应力 当水 库放空后 水荷载卸载完毕 水荷载在坝体内不产生残余应力 对 边浇边封拱边蓄 水 的工程 不同蓄水方案带来的水荷载形成的应力计算要复杂得多 如坝体第一次浇 筑到高程 封拱蓄水至高程 则水位以下的水荷载只在高程以下坝体产 1 j Z 1 fx Z 1 fx Z 1 fx Z 生应力 其应力计算按以下部分整体结构受水荷载来计算 如坝体继续浇筑到 1 fx Z 2 j Z 坝体封拱蓄水到 则水位以下的水荷载只在高程以下坝体产生应力 其应 2 fx Z 2 fx Z 2 fx Z 力计算按以下部分整体结构受水荷载来计算 同理 坝体封拱蓄水至高程 2 fx Z 则应力计算按以下部分整体结构受水荷载来计算 2 1 niZ i fx i fx Z 温度荷载在施工期仍然是一种十分重要的荷载 但相对于自重和水荷载而言 影响 更为复杂但程度要小得多 其理由是 1 坝体冷却到封拱温度进行封拱灌浆后 其坝 体的温度变化才作为坝体运行期的温度荷载 坝体从封拱温度场变化到稳定温度场需要 相当长的时间 2 温度应力主要受本层温度荷载大小的影响 其它层温度变化对本层 应力有影响但相对较小 26 综上所述 拱坝整体结构随大坝浇筑 封拱不断推进而逐渐形成的 坝体结构形式 在施工过程中是变化的 正因为结构形式是变化的 在浇筑 封拱过程中坝体承受的荷 载形成的力学效应也是不断变化的 而坝体浇筑 封拱 甚至蓄水过程是可以人为改变 的 因此 在设计过程中 我们就可以人为选择一种对坝体安全 经济 施工均较为有 利的施工过程 基于以上的想法 以下主要研究的内容包括 a 边浇边封拱条件下拱坝自重应力的计算 b 边浇边封拱边蓄水 条件下水荷载效应分析 c 一次浇筑到坝顶然后进行封拱蓄水条件下水荷载效应分析 d 施工期封拱过程对坝体温度应力场影响分析 5 5 锦锦屏屏高高拱拱坝坝封封拱拱及及蓄蓄水水过过程程对对拱拱坝坝应应力力场场的的影影响响 5 15 1锦屏高拱坝施工期特征浇筑高程的确定锦屏高拱坝施工期特征浇筑高程的确定 锦屏一级电站位于四川省凉山彝族自治州木里县和盐源县交界处的雅砻江大河湾干 流河段上 是雅砻江下游从卡拉至河口段水电规划梯级开发的龙头水库 距河口358 公里 距西昌市约 75 公里 水电站大坝为混凝土双曲拱坝 最大坝高 305 米 拱冠梁底厚 63 米 顶拱中心 线弧长 552 25 米 主要工程量为 土石方明挖 560 万立方米 混凝土 373 8 万立方米 金结安装 4135 吨等 合同工期为 83 个月 电站装机 6 台 单机容量 600MW 电站 最大坝高 305 米 是当今世界最高的混凝土双曲拱坝 坝肩地势险峻 不仅具有高地应 力 高陡边坡安全稳定 砼骨料碱活性反应 砼温度控制与防裂等世界级技术难题 而 且还受到坝址地形 地质条件复杂 施工场地布置困难等多种因素对施工的制约 该工 程是当今世界水电项目施工技术难度最大的高拱坝工程 其复 杂的地质地形以及坝形 特点 对现有的施工技术和施工手段提出了严峻的挑战 锦屏一级水电站的建设 必将 使我国拱坝施工技术 管理水平再上一个新的台阶 锦屏一级水电站水库正常蓄水位 18