【導(dǎo)讀】應(yīng)力分析計算......

　　

【正文】 —— 計算時段，須化為秒數(shù)。 泄洪建筑物采用 100年一遇洪水設(shè)計，洪峰流量為 2500 sm/3 ； 2020 年一遇洪水校核，洪峰流量為 4350 sm/3 。 綜合考慮該庫調(diào)洪要求，把防洪限制水位 ? 635m 作為起調(diào)水位，此刻的下泄量作為起調(diào)泄量分別采用了兩種方案，用半圖解法進(jìn)行調(diào)洪。 調(diào)洪過程詳細(xì)見計算書。 調(diào)洪計算結(jié)果 表 441 調(diào)洪計算成果表 頻率 方案 設(shè)計洪水 (1%) 校核洪水 (%) 方案一 12 最大泄量 (m179。/s) 水庫最高水位 (m) 方案二 24 最大泄量 (m179。/s) 水庫最高水位 (m) 經(jīng)綜合比較后，遇設(shè)計洪水 (百年一遇 )時，選擇方案一，堰寬 12m，調(diào)洪后水庫最大泄量為 ，水庫最高水位為 ,取 ；遇校核洪 水 (千年一遇 )時，選擇方案二 ,調(diào)洪后水庫最大泄量為 ，水庫最高水位為 ,取 。 此時，樞紐的設(shè)計、校核和正常工況情況下上游水位、最大下泄流量和下游水位（根據(jù)最大下泄流量由壩址處流量 水位曲線查得）。 28 頁 表 442 經(jīng)調(diào)洪演算得到的水利水能資料 上游水位 (m) 最大下泄流量(m3/s) 下游水位 (m) 正常 設(shè)計 校核 5 非溢流壩剖面設(shè)計 設(shè)計原則 重力壩在水壓力及其他荷載的作用下，主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力維持抗滑穩(wěn)定；同時依靠壩體自重產(chǎn)生大揚(yáng)壓力來抵消由于水壓力引起的拉應(yīng)力以滿足強(qiáng)度要求。 非溢流壩剖面設(shè)計的基本原則是：①滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，保證大壩安全；②工程量小，造價低；③結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)用方便；④利于施工，方便維修。 遵循以上原則擬訂出的剖面，需要經(jīng)過穩(wěn)定及強(qiáng)度驗算，分析是否滿足安全和經(jīng)濟(jì)的要求，壩體剖面可以參照以前的工程實例，結(jié)合本工程的實際情況，先行擬定，然后根據(jù)穩(wěn)定和應(yīng)力分析進(jìn)行必要的修正。重復(fù)以上 過程直至得到一個經(jīng)濟(jì)的剖面。 剖面擬訂要素 壩頂高程的擬訂 壩頂高程由靜水位 +相應(yīng)情況下的風(fēng)浪涌高和安全超高定出。即 ? ＝靜水位＋ h? 式中： h? ＝ l z ch h h??（ lh ＝ 15 為波浪高度； 0v 為計算風(fēng)速； D為吹程； zh 為波浪中心線超出靜水位的高度； ch 為安全超高。） 計算風(fēng)速在水庫正常蓄水位和設(shè)計洪水位時，宜采用相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速的~ 倍，校核洪水位時宜采用相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速。 29 頁 表 521 計算情況 庫水位 (m) 吹程 (km) 最大風(fēng)速(m/s) 計算風(fēng)速(m/s) 正常情況 1 14 20 設(shè)計情況 1 14 20 校核情況 1 14 14 采用官廳公式計算： 15 v D? ， ( )cLh? 2 2lz h Hh cthLL? ?? （ D—— 吹程， m。L—— 波長， m。） 非溢流壩壩頂安全超高 hc值表如下： 表 522 水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級別 水工建筑物安全級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 水工建筑物級別 （ 1） （ 2， 3） （ 4， 5） 設(shè)計情況 校核情況 計算過程詳見計算書 ,成果列于下表： 表 523 計算情況 hl（ m） hz（ m） hc（ m） ? h（ m） 壩頂高程 ? （ m） 正常情況 設(shè)計情況 校核情況 30 頁 計算結(jié)果表明，壩頂高程由校核洪水位控制，考慮由泄洪和結(jié)構(gòu)要求確定的剖面，穩(wěn)定安全系數(shù)有較大的余幅，壩踵也未出現(xiàn)拉應(yīng)力，取壩頂高程 650m ，將超高置于壩頂以上，壩頂上游再設(shè)實體防浪墻。 壩頂寬度的擬訂 為了適應(yīng)運(yùn)用和施工的需要，壩頂必須有一定的寬度。一般地，壩頂寬度取最大壩高的 8 %～ 10%，且不小于 2m。綜合考慮以上因素 ,壩頂寬度 10Bm? . 壩坡的擬訂 考慮壩體利用部分水重增加 其抗滑穩(wěn)定，根據(jù)工程實踐，上游邊坡系數(shù) n=～ ,取 。下游邊坡系數(shù) m=～ ，取 。 上、下游起坡點(diǎn)位置的確定 上游起坡點(diǎn)位置應(yīng)結(jié)合應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)電引水管、泄水孔等建筑物的進(jìn)口高程來定，初擬上游起坡點(diǎn)為壩高的中點(diǎn)處，下游起坡點(diǎn)的位置應(yīng)根據(jù)壩的實用剖面形式、壩頂寬度，結(jié)合壩的基本剖面得到，初擬取頂點(diǎn)為壩頂處（最常用的是基本剖面的頂點(diǎn)位于校核洪水位處）。由于起坡點(diǎn)處的斷面發(fā)生突變，故應(yīng)對該截面進(jìn)行 強(qiáng)度和穩(wěn)定校核。 剖面設(shè)計 n=,m=,底寬 B= 初選剖面尺寸如圖所示 : 圖 剖面受力圖 31 頁 抗滑穩(wěn)定分析與計算 分析的目的 核算壩體沿壩基面或地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定的安全度。 滑動面的選擇 滑動面選擇的基本原則：研究壩基地質(zhì)條件和壩體剖面形式，選擇受力較大 ,抗剪強(qiáng)度低 ,最容易產(chǎn)生滑動的截面作為計算截面。 一般有以下幾種情況：①壩基面②壩基內(nèi)軟弱層面③基巖緩傾角結(jié)構(gòu)面④不利的地形⑤碾壓混凝土層面等。 由已知基本資料知，基坑抗滑穩(wěn)定控制面為混凝土與基巖接觸面 ,故對非溢流壩段只需對壩基面進(jìn)行抗滑穩(wěn) 定分析。 對壩基面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算 1）抗剪斷強(qiáng)度計算 將壩體與基巖間看成是一個接觸面，而不是膠結(jié)面。按抗剪斷強(qiáng)度公式計算的壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 39。k 值應(yīng)不小于表 532 規(guī)范規(guī)定； ( ) /sK f W U P? ? ? ? 式中： W?? 接 觸 面 以 上 的 總 鉛 直 力 ；P?? 接 觸 面 以 上 的 總 水 平 力 ；U 作 用 在 接 觸 面 上 的 揚(yáng) 壓 力 ；f ? 接 觸 面 間 的 摩 擦 系 數(shù) 。 表 531 壩 基 面 抗 滑 穩(wěn) 定 安 全 系 數(shù) Ks 荷載組合 壩的級別 1 2 3 基本組合 特殊組合 (1) (2) 32 頁 2）抗剪斷強(qiáng)度計算 按抗剪斷強(qiáng)度的計算公式進(jìn)行計算，將壩體與基巖間看成是一個膠結(jié)面。按抗剪斷強(qiáng)度公式計算的壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 39。sk 值應(yīng)不小于表 532 規(guī)范規(guī)定； 39。( ) 39。39。s f W U c AK P? ? ?? ? 式中： 239。39。39。 a 。sKfKPAmWP K N????????按 抗 剪 斷 強(qiáng) 度 計 算 的 抗 滑 穩(wěn) 定 安 全 系 數(shù) ；壩 體 混 凝 土 與 壩 基 接 觸 面 得 抗 剪 斷 摩 擦 系 數(shù) ；c 壩 體 混 凝 土 與 壩 基 接 觸 面 得 抗 剪 斷 凝 聚 力 ，壩 基 接 觸 面 截 面 積 ，作 用 于 壩 體 上 全 部 荷 載 （ 包 括 揚(yáng) 壓 力 ） 對 滑 動 平 面 的 法 向 分 值 ， KN ；作 用 于 壩 體 上 全 部 荷 載 對 滑 動 平 面 的 切 向 分 值 ， ； 表 532 壩 基 面 抗 滑 穩(wěn) 定 安 全 系 數(shù) 39。SK 荷 載 組 合 39。SK 基 本 組 合 3 特 殊 組 合 (1) (2) 表 533 穩(wěn)定計算成果 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 設(shè)計 校核 sK () () 39。sK () () 33 頁 表 533表明，重力壩在設(shè)計和校核洪水位情況下均滿足承載能力極限狀態(tài)下的抗滑穩(wěn)定要求。 應(yīng)力計算 分析的目的 與過程 應(yīng)力分析的目的是為了檢驗大壩在施工期和運(yùn)行期是否滿足強(qiáng)度要求，同時也是為研究、解決設(shè)計和施工中的某些問題，如為壩體混凝土標(biāo)號分區(qū)和某些部位的配筋等提供依據(jù)。 應(yīng)力分析的過程是：首先進(jìn)行荷載計算和荷載組合，然后選擇適宜的方法進(jìn)行應(yīng)力計算，最后檢驗壩體各部 分的應(yīng)力是否滿足強(qiáng)度要求。 計算方法 ① 重力法：又稱材料力學(xué)方法。它計算簡便，適用范圍廣，已經(jīng)過模型試驗和工程實踐的驗證，有一套成熟的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。重力法的主要假定是：壩體水平截面上的垂直正應(yīng)力 σy 呈直線分布 ② 有限單元法：彈性理論中的一種數(shù)值解法。將結(jié)構(gòu)劃分為若干結(jié)點(diǎn)聯(lián)系的有限個單元，利用邊界條件和連續(xù)條件，根據(jù)彈性理論列出單元的應(yīng)力、應(yīng)變、位移關(guān)系式和全部結(jié)點(diǎn)平衡方程組。依靠電子計算機(jī)計算出壩體和壩基內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力和變形。對于實體重力壩的應(yīng)力分析，一般可采用二維有限元法，屬于空間性質(zhì)的問 題，可采用三維有限元法。 本次設(shè)計采用材料力學(xué)方法。 材料力學(xué)法的基本假設(shè) 壩體混凝土為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性材料； 視壩段為固接于地基上的懸臂梁，不考慮地基變形對壩體應(yīng)力的影響，并認(rèn)為各壩段獨(dú)立工作，橫縫不傳力； 假定壩體水平截面上的正應(yīng)力 y? 按直線分布，不考慮廊道等對壩體應(yīng)力的影響。 荷載組合 正常蓄水情況：自重 +正常蓄水位對應(yīng)的靜水壓力 +揚(yáng)壓力 +浪壓力； 34 頁 設(shè)計洪水情況：自重 +設(shè)計洪水位對應(yīng)的靜水壓 力 +揚(yáng)壓力 +浪壓力； 校核洪水情況：自重 +校核洪水位對應(yīng)的靜水壓力 +揚(yáng)壓力 +浪壓力； 因正常蓄水位與設(shè)計洪水位相差不大，根據(jù)《 SDJ2178(試行 )補(bǔ)充規(guī)定》可不予計算。 應(yīng)力計算 在一般情況下，壩體的最大和最小應(yīng)力都出現(xiàn)在壩面，所以，在重力壩設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，首先應(yīng)校核壩體邊緣應(yīng)力是否滿足強(qiáng)度要求。計算公式如下： 1）計入揚(yáng)壓力 水平截面上的正應(yīng)力 y? ，因為假定正應(yīng)力 y? 按直線分布，所 以按偏心受壓公式26yu WMBB? ????； 26yd WMBB? ????；來計算上下游邊緣應(yīng)力，其中： W? —— 作用于計算截面以上全部荷載的鉛直分力的合力， kN。 M? —— 作用于計算截面以上全部荷載對截面垂直水流流向形心軸的力矩總和， kNm； B —— 計算截面的長度， 剪應(yīng)力 ? ? ?u u uu y uP p n??? ? ? uP —— 上游面水壓力強(qiáng)度 (有泥沙壓力 ps時，應(yīng)計入在內(nèi) ), n —— 下游壩坡坡率 ? ?d y d u d dp p m??? ? ? Pd —— 上游面水壓力強(qiáng)度 (有泥沙壓力 ps時，應(yīng)計入在內(nèi) ), m —— 上游壩坡坡率 水平正應(yīng)力 x? 2( ) ( )x u u u u u u u y up p p p n??? ? ? ? ? 2( ) ( )x d d u d y d u d dp p p p m??? ? ? ? 主應(yīng)力 221 (1 ) ( )u y u u u un p p n??? ? ? ? 2u u uuPp? ?? 1 (1 ) ( )d y d d u dm p p m??? ? ? ? 2d d udpp? ?? 35 頁 2）不計入揚(yáng)壓力 水平截面上的正應(yīng)力y?，因為假定正應(yīng)力y?按直線分布，所以按偏心受壓公式26yu WMBB? ????； 26yd WMBB? ????；來計算上下游邊緣應(yīng)力，其中： W? —— 作用于計算截面以上全部荷載的鉛直分力的合力， kN。 M? —— 作用于計算截面以上全部荷載對截面垂直水流流向形心軸的力矩總和， kNm； B —— 計算截面的長度， 剪應(yīng)力 ? ? ?u u yupn???? uP —— 上游面水壓力強(qiáng)度 (有泥沙壓力 ps時，應(yīng)計入在內(nèi) ), n —— 下游壩坡坡率 ? ?d yd dpm???? Pd —— 上游面水壓力強(qiáng)度 (有泥沙壓力 ps時，應(yīng) 計入在內(nèi) ), m —— 上游壩坡坡率 水平正應(yīng)力 x? xu u upn???? xd d dpm???? 主應(yīng)力 221 (1 )u y u un p n??? ? ? 2uup? ? 221 (1 )d y d dm p m??? ? ? 2ddp? ? 重力壩非溢流壩段的荷載主要有：自重、靜水壓力、浪壓力、泥沙壓力、揚(yáng)壓力，常取 1m 壩長進(jìn)行計算。 應(yīng)力計算結(jié)果如下：（以下應(yīng)力單位均為 KPa） 1） 計揚(yáng)壓力 由上面的公式計算出各個應(yīng)力，分析可看出由以上可以看出壩體邊緣應(yīng)力狀態(tài)良好，未出現(xiàn)拉應(yīng)力的情況。 2）不計揚(yáng)壓力 36 頁 不計揚(yáng)壓力時其應(yīng)力計算與計揚(yáng)壓力是計算方法一樣，主要分析①垂直正應(yīng)力 yu? 和yd? 、②剪應(yīng)力 u? ， d? 、③水平正應(yīng)力 xu? , xd? 、④第一主應(yīng)力 u1? , d1? 、⑤第二主應(yīng)力五種應(yīng)力，詳情見計算說明書。 由成果分析，以上可以看出壩體邊緣應(yīng)力狀態(tài)良好，未出現(xiàn)拉應(yīng)力的情況。 6 溢流壩段設(shè)計 泄水建筑物方案比較 布置原則 由溢流壩下泄的水流具有巨大的能量，必須妥善進(jìn)行處理，否則勢必導(dǎo)致下游河床被嚴(yán)重沖刷，甚至造成岸坡坍塌和大壩失事。所以消能措施的合理選擇和設(shè)計，對樞紐、大壩安全及工程量都有重要意義。