清峪水库泄洪底孔坝段三维弹塑性有限元分析

摘要

重力坝是我国高坝建设中的主要坝型，在已建的大中型水利水电工程的拦河坝中始终占有比较大的比例。重力坝主要依靠其自身的重力来维持稳定，其坝体体积大，稳定性好，但由于各种原因，仍有可能失事。一旦发生溃坝事件，不仅工程毁坏，而且对下游地区的经济建设和人民的生命财产造成毁灭性的灾害。因此，对于重力坝的应力应变状态，一直是重力坝设计中十分关注和重视的一个问题。
　　 作为本文研究对象的清峪水库泄洪排沙坝段具有孔洞多、各孔洞在空间结构上纵横交错且相互间距小的特点，形成复杂的空间应力场，对坝体刚度削弱严重。因此泄洪坝段的应力应变状态是工程成败的主要控制因素之一。本文采用三维非线性有限元理想弹塑性模型对其进行计算分析，研究内容及主要成果如下：
　　 1、应变分析：在不考虑坝体自重和考虑坝体自重两种情况下，研究库水及泥沙压力对坝体变位的影响。结果表明:两种情况下，坝体整体都向下游变位，但在不考虑坝重情况下的坝体水平向位移较考虑坝重情况下大，而向下沉降量较考虑坝重情况下小的多。两种情况下坝体内各孔洞均随坝体一起向下游协调变位，泄洪洞的存在对廊道变位略有影响。
　　 2、应力分析：通过对各孔洞沿孔洞轴线在各特殊位置进行剖分,所得应力分布规律为:①由于坝体内孔洞的存在，坝体内应力在孔洞周边出现了应力集中现象；②基础灌浆廊道及坝体排水廊道应力变化规律基本一致，即在廊道顶板及底板均出现拉应力，拉应力值较小，廊道应力分布呈对角线对称分布；③泄洪洞顶板及底板中间拉应力最大，泄洪洞四角点压应力最大；④检修闸门井各项应力最大值均位于闸门井底部剖面；⑤由于泄洪洞的存在，使廊道应力集中值在泄洪洞位置较其他相邻坝段出现突变；⑥
　　 坝体各孔洞周边环向拉应力量值不大，若按应力要求进行一定的配筋设计，则可以满足坝体应力安全要求。
　　 3、在空库工况下，坝体未出现塑性应力及塑性应变，不存在塑性区域。在正常水位及设计水位工况下，坝体塑性区位于坝体上游侧底部0.5m 坝踵处，塑性区域较小。
　　 4、结果比较：对三维非线性有限元法计算结果与常规计算方法所得结果进行比较可以看出：有限元法所得压应力集中值大于常规计算，拉应力值基本一致。在孔洞等应力集中部位配筋设计时，宜采用有限元计算结果。