水利工程論文-天生橋一級電站面板堆石壩穩(wěn)定性分析.doc

水利工程論文-天生橋一級電站面板堆石壩穩(wěn)定性分析摘要：用線彈性有限元方法，對天生橋一級電站混凝土面板堆石壩進行了位移場分析，并對大壩位移場分布規(guī)律及特點作了討論，其結(jié)論可供大壩運行期間的觀測點設置參考。關鍵詞：天生橋電站面板堆石壩有限元方法位移場穩(wěn)定性1問題的提出混凝土面板堆石壩是19世紀末20世紀初發(fā)展起來的一種筑壩技術，我國從20世紀80年代開始先后修建柯柯亞、關門山、西北口、株樹橋等面板堆石壩。天生橋一級電站面板堆石壩位居世界同類壩型高度第二，面板面積及堆石量屬世界第一，它的興建，使我國堆石壩的建設水平達到世界先進水平。堆石壩技術是在不斷總結(jié)工程實踐經(jīng)驗的基礎上發(fā)展起來的，它是一門實驗性技術。迄今為止，世界上目前還沒有公認的設計理論，幾乎所有的堆石壩設計，都是參照已建工程的經(jīng)驗，結(jié)合壩址區(qū)的地形、地質(zhì)等實際條件而確定。在世界大多數(shù)國家中，土石壩的建設一直居于首位。據(jù)20世紀80年代國際大壩會議統(tǒng)計，截止1986年底，全世界共建大壩36235座，其中土石壩29974座，占82.7%.土石壩具有適應條件廣、就地取材、經(jīng)濟效益好、施工導流問題容易解決及抗震性好等特點，從而得以迅速發(fā)展。但由于土石壩的施工技術及施工質(zhì)量難以保證，其事故發(fā)生率（潰壩和損壞）最高。根據(jù)水利部工程管理局截止1980年底的統(tǒng)計資料，我國大、中、小型水庫潰壩3976起，平均潰壩率為3.4%.若按壩型分，潰壩總數(shù)中土石壩最多，為2925起，其中堆石壩17起。天生橋一級電站大壩是我國自行設計和施工的世界第二高堆石壩，為確保其安全運行，有必要對其穩(wěn)定性進行定量分析計算。2工程概況及地質(zhì)環(huán)境2.1工程概述天生橋一級電站堆石壩高程178m，名列世界第二，而壩頂長度、壩體填筑方量和混凝土面板的面積皆居世界第一，是世界級的工程。電站以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位為780m高程，死水位為731m高程，總庫容為102.57108m3，裝機容量為1200MW，保證出力為405.2MW，多年平均發(fā)電量為5226GWh.2.2地質(zhì)環(huán)境壩址河谷為縱向谷，巖層產(chǎn)狀為N50-70E/NW35-50，從右岸至左岸巖層由老至新。右岸埡口附近為二疊系巨厚層塊狀灰?guī)r，上覆三疊系下統(tǒng)厚層泥質(zhì)條帶灰?guī)r；右岸壩基為三疊系中統(tǒng)新苑組薄層及中厚層灰?guī)r與泥巖互層；左岸為三疊系下統(tǒng)邊陽組厚層砂泥巖互層；河床分布有沖積層，其厚度0.68-25.61m，在沖積層下部的近基巖面處有粘土和淤泥質(zhì)粘土層分布，厚度0.15-13.32m.工程區(qū)地震基本烈度為2度。3分析模型3.1力學模型本文用有限元法對壩體進行穩(wěn)定性分析，它能模擬堆石壩逐級加荷的施工過程，且適應于較復雜的邊界條件。天生橋一級電站壩頂長1104m，壩底厚502m，于壩軸線中部取一截面（單位厚度）建立計算力學模型。力學模型采用三角形單元，將壩體劃分成331個單元，195個節(jié)點；上游面板受靜水壓力作用，壩頂及下游壩坡為自由邊界，大壩基礎（基巖）為零位移邊界。力學模型如圖1所示。圖1大壩分析力學模型3.2數(shù)學模型(1)位移模式選擇線性位移模式：(2)單元剛度矩陣式中：D彈性矩陣；B應變矩陣。(3)整體剛度矩陣4大壩填筑材料及其物理力學參數(shù)4.1填筑材料按填筑料不同，天生橋一級電站堆石壩分為四個區(qū)，分別填筑A料、B料、C料、D料。A、B料取自溢洪道或補充石料場開挖的弱風化至新鮮灰?guī)r；C料取自導流洞、廠房、放空洞、溢洪道引渠前段和泄洪槽后段開挖的砂泥巖、薄層、中厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r及粉砂巖；D料為溢洪道或補充石料場開挖的弱風化至新鮮灰?guī)r。4.2填筑材料的物理力學參數(shù)根據(jù)設計要求，大壩填筑材料的物理力學指標列于表1.表1大壩填料物理力學指標表5填筑料編號容重(kN/m3)壓縮模量E(MPa)泊松比A21.574.000.27B21.265.000.27C21.5105.000.25D20.598.300.275計算成果為分析方便，在力學模型中找出一些典型的節(jié)點(見圖1)，統(tǒng)計這些單元（節(jié)點）的位移量列于表2.表2典型單元（節(jié)點）位移統(tǒng)計表節(jié)點位置節(jié)點編號位移值(m)節(jié)點位置節(jié)點編號位移值(m)uvuvAA842.0201.661DD270.0990.677851.6711.752360.2360.712861.4011.812450.2920.864870.9551.860550.3061.049880.7301.837660.3201.321890.5211.749780.3431.510900.3641.603900.3641.603910.2171.3221030.3961.700920.1621.1701160.4241.731930.1000.9191290.4671.678940.0460.6201390.4801.598950.0000.0001480.4721.367BB732.1031.4901560.4411.202842.0201.6611640.3900.935961.9051.920EE961.9051.920CC10.0000.000971.6802.09030.2440.1631091.4292.17260.5180.4291101.3062.202100.5820.5981221.1042.182150.5230.6691230.8332.105190.3900.6951250.7642.012200.2300.6871360.6571.880270.0990.6771460.5351.639340.5750.6581550.4411.282421.0610.6741640.3900.935511.4620.7031660.3510.709611.7600.9901730.3160.603721.9011.2941740.3000.471842.0201.6611800.2730.3921810.2610.2901860.2280.1921900.1590.1001930.0590.0251950.0000.0006大壩沉降分析堆石壩的變形分為豎直方向的變位（沉降），上、下游壩面的水平變位和沿壩軸線方向的變位等。由于堆石壩由多種材料組成，在自重及水壓作用下，豎直位移比混凝土壩大得多，過大的變位對壩體的安全有重要的影響。沉降是指在自重應力及水壓作用下，沿豎直方向發(fā)生的位移。對堆石壩而言，其沉降主要是由堆石料的壓縮變形產(chǎn)生的。堆石料的壓縮變形，初期主要是顆粒的位移與結(jié)構調(diào)整、并伴有少量的顆粒棱角破碎，這是主壓縮階段；其后，隨著顆粒破碎的增加，將進入次壓縮階段，堆石料的次壓縮變形，在形式上與粘土類似，處于壓縮較快的主壓縮階段之后；而蠕變變形的產(chǎn)生，可能主要是顆粒破碎引起的顆粒排列進一步的調(diào)整。由大量的觀測資料表明，堆石壩在施工過程中，隨著填筑石料的增加而產(chǎn)生的壓縮變形占相當大的比例，竣工蓄水后，隨著蓄水位的周期循環(huán)，其變形有逐漸收斂的趨勢。6.1影響壩體沉降的因素沉降在堆石壩的發(fā)展過程中一直是被人們高度重視的問題。從某種意義上來說，現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的發(fā)展，是建立在堆石料的變形控制上的，以最大限度地減小堆石體的變形，保證面板與其接縫止水防滲的可靠性。堆石體變形量的大小主要受下列因素的影響：(1)材料的物理力學性質(zhì)及粒徑級配當堆石料質(zhì)地堅硬、軟化系數(shù)小，能承受較大的由堆石體自重所產(chǎn)生的壓應力，不僅可以減少堆石體在施工期內(nèi)的沉降，同時也可以減少水庫蓄水后及堆石體材料的蠕變軟化所產(chǎn)生的變形。堆石料粒徑級配良好與否，對碾壓密實度的影響很大，從而對變形的影響也很大。使用粒徑級配良好的石料，碾壓后密實度和變形模量較大，可相應減小施工期和運行期的位移。(2)填筑、