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覆盖层地基非均匀性对重力坝应力和变形的影响规律分析.docx
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覆盖层地基非均匀性对重力坝应力和变形的影响规律分析.docx
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摘要
针对建于深厚覆盖层上某矿山截洪重力坝常年工况(只在汛期短暂挡水,一年之内大部分时间坝前
基本无水)进行分析,探讨覆盖层非 均匀 性对 上部 重力 坝应 力和 变形 的影 响规 律。 研究 结果 表明 :
建于覆盖层上的混凝土重力坝在施工期会产生较大沉降且坝基面沉降明显不均匀,重力坝坝体底部
出现顺河向拉应力区;上游侧地基软弱会引起不均匀沉降增大,但对坝体应力无明显不利影响;下
游侧地基软弱虽然可以减轻重力坝不均匀沉降,但对坝体应力会产生一定程度的不利影响;横河向
地基不均匀对坝体的沉降和应力都会产生明显的不利影响。在覆盖层地基上修建重力坝须注意采用
合理的分缝方案,避免将同一坝段修建在横河向跨越力学性质差别较大的覆盖层地基上。
Abstract
The mine flood intercepting dam only keeps water for a short time in flood season,
and there is no water in front of the dam for most of the year. Based on the analysis
of regular working conditions of a mine flood interception gravity dam built on thick
overburden, the influence law of non-homogeneity overburden on the stress and
deformation of gravity dam is discussed. The results show that during the
construction period, the concrete gravity dam built on the overburden has large
settlement, and the settlement of dam foundation is obviously uneven. The
horizontal tensile stress zone appears at the bottom of gravity dam. The soft
foundation on the upstream side will increase the uneven settlement, but it has no
obvious harmful effect on the dam stress. Although the soft foundation on the
downstream side can reduce the uneven settlement of the gravity dam, it will have
some negetive effects on the stress of the dam. The uneven foundation across the
river will have obvious harmful effects on the settlement and stress of the dam.
Therefore, it is necessary to adopt reasonable joints for gravity dam construction on
overburden foundation, so as to avoid the same dam section being built on the
overburden foundation with different mechanical properties across the river
direction.
译
关键词
深厚覆盖层; 重力坝; 非均匀地基; 不均匀沉降; 水平拉应力
Keywords
thick overburden; gravity dam; non-homogeneous foundation; uneven
settlement; horizontal tensile stress
译
重力坝是由混凝土或浆砌石修筑的刚性挡水建筑物,其基本剖面为直角三角形,通常由横缝分成若
干坝段。重力坝在水压力及其他荷载作用下,主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定,同时依靠
坝体自重产生的压力抵消由水压力引起的拉应力,以满足强度要求
[ 1]
。
水利工程中混凝土重力坝对地基的要求较高,一般建于新鲜的岩基上。但在一些小型工程和非水利
工程中,有时将重力坝建于软基岩层甚至是覆盖层上,但由于存在变形大、地基承载力不足、结构
稳定差、永久变形大等诸多问题
[ 2 ]
,成功的工程案例并不多。国内外已建成的建于覆盖层地基上
的重力坝有柏岭寺水库工程混凝土重力坝
[ 3]
、日本大川坝
[ 4]
、下马岭重力坝
[ 5]
等。覆盖层地基上
的重力坝会产生较大的地基沉降变形,直接影响上部刚性坝体的工作性态,且覆盖层地基大多是不
均匀的,存在空间分布非均匀性特征
[ 6]
,这种非均匀性会对重力坝结构产生一定程度的影响,迄
今为止国内外关于不均匀覆盖层对坝体应力变形影响的研究较少。
矿山截洪坝只在汛期拦截洪水,而一年中大部分时间溪沟内基本无水,大坝长期处于空库运行状态。
本文以修建于覆盖层地基上的四川某矿山截洪重力坝为工程实例,采用三维非线性有限元分析方法
开展非均匀覆盖层地基对混凝土重力坝结构的影响研究,探讨覆盖层非均匀性对上部重力坝应力变
形状况可能产生的影响及影响规律。
1 矿山截洪坝运行特点及分析方法
1.1 工程概况
该重力坝位于中国四川省西部山区,建于深厚覆盖层上,用于拦截溪沟内汛期形成的洪水。重力坝
最大坝高 34 m、坝顶宽 4 m、坝顶高程 1 780.00 m,下游侧直立段高度为 1 m,上游无直立段,
上、下游坝坡分别为 1∶0.15、1∶0.75,坝体结构见图 1。
图 1 大坝结构
Fig.1 Dam structure
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
坝址区深厚覆盖层主要为冲洪漂石、卵(碎)石层与含砾粉质黏土层,覆盖层存在明显的空间分布
不均匀特征。为研究地基的不均匀性对坝体结构的影响,根据坝基覆盖层实际分布情况,将坝基概
化为 3 种典型非均匀分布模型进行分析:1)坝基上游侧分布较软弱的含砾粉质黏土层,下游侧分
布冲洪漂石、卵(碎)石层;2)坝基下游侧分布较软弱的含砾粉质黏土层,上游侧分布冲洪漂石、
卵(碎)石层;3)坝基左侧分布较软弱的含砾粉质黏土层,右侧分布冲洪漂石、卵(碎)石层。3
种典型地基分布模型详见图 2。
图 2 大坝不均匀地基模拟
Fig.2 Simulation of non-homogeneous foundation of dam
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
1.2 工程运行特点和工作条件
该重力坝为某矿山溪流改道工程的截洪坝,位于采矿区上游,用于拦截暴雨山洪在溪沟里形成的洪
水,通过修建的排洪隧洞排往下游, 从而 保证 大坝 下游 采矿 场的 正常 开采 作业 。溪 沟集 雨面 积小 ,
山区洪水具有暴涨暴落的特征,洪水持续时间短。截洪坝只在汛期拦截洪水,一年中大部分时间溪
沟内基本无水,处于空库运行状态,与一般水利工程重力坝的运行条件存在较大差别。
修建于覆盖层地基上重力坝的地基沉降在空库情形出现最大值,坝基面最大不均匀沉降也出现在空
库工况。本文所研究的矿山截洪坝长期处于空库运行状态,其坝体安全状况需要重点关注,因此本
文主要针对该截洪坝空库情形开展分析,汛期高水位条件下截洪坝工作性态及安全状况将另行研究。
1.3 分析方法及计算模型
地基大部分沉降发生在大坝施工期,随着重力坝坝体逐层浇筑,坝基受到坝体压重发生沉降,随坝
体升高沉降逐渐增大。为准确模拟重力坝坝体逐层浇筑及坝基沉降逐渐增加的过程,将坝体分为 8
层,逐层升高,以反映坝体分层浇筑的实际施工过程
[ 7]
。
地基覆盖层中,冲洪漂石、卵(碎)石层与含砾粉质黏土层材料采用 Duncan E-B 模型
[ 8, 9]
,该
模型中的凝聚力 c
、
内摩擦角 φ
、
破坏比 R
f
、
切线模量 k
、
切线模量指数 n
、
体积变形模量 K
b
、
体
积变形模量指数 m7 个计算参数通过常规三轴试验确定
[ 10]
,坝体混凝土采用线弹性模型。
有限元计算模型
[ 11, 12]
如图 3 所示,地基覆盖层深度取 60 m,上、下游方向地基长度延伸各 90
m,三维有限元模型的单元总数共计 6 280 个,节点总数共计 7 574 个。对模型地基侧边界施加
法向约束、底边界施加全约束,计算工况为该截洪坝长期处于的空库工况。
图 3 有限元计算模型
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