三河口拱坝不同体型破坏对比分析

2018-09-10任小勇

人民黄河 2018年11期

任小勇

摘要：针对拱坝体型对拱坝的应力分布、破坏过程和承载力的重要影响，以三河口水利枢纽工程拟定的3种体型拱坝为例，分别采用超载法、强度储备法和综合法进行破坏分析，运用ANSYS软件，采用非线性有限元模拟拱坝破坏过程，对比3种体型拱坝对应的破坏模式，分析破坏过程，并结合位移突变法和屈服体积法确定拱坝的安全度。结果表明：同一种体型的拱坝在使用超载法、强度储备法和综合法进行计算分析时所得破坏过程不相同;不同体型的拱坝，如果采用同一种破坏分析方法进行计算，破坏过程基本相似，但抛物线拱坝的安全度高于单圆心拱坝的。

关键词：拱坝;体型;破坏分析;安全度

中图分类号：TV642.4 文献标志码：A

拱坝的承载能力与多种因素相关，包括拱坝的体型、材料性质、地质条件、荷载类型等，这些固有因素决定了结构的实际承载能力。由于拱坝在实际运行中通常不会也不大可能遇到真正使之破坏的荷载，因此拱坝的極限承载能力均是通过模拟方法或者数值分析手段得到的[1-4]。目前，对于高拱坝破坏过程以及承载力的研究，仅限于特定体型的分析，缺少不同体型的对比分析[5-9]。然而拱坝体型的选择范围很多，包括单圆心、双圆心、三圆心、抛物线、对数螺旋曲线等，各种体型的拱坝承载力和破坏过程都有可能不同，另外拱坝承载力的判断还与分析手段如加载模式、数值模型、破坏判据等有关，破坏分析方法的选择对拱坝安全度的确定会产生重要影响。笔者通过三河口高拱坝典型案例着重分析拱坝体型的差异对拱坝破坏过程、安全度的影响，以及如何选取拱坝破坏分析方法。

1 破坏分析方法

超载法假定坝基和坝体的材料参数不变，在模拟拱坝破坏过程中按比例不断增大作用荷载，直至拱坝失稳破坏，这样得到的超载安全系数即拱坝安全度。超载安全系数K_p的表达式为式中：P_m为外部荷载;P_n为原设计荷载;γ_n为设计荷载对应的水容重;γ_m为超载荷载对应的水容重。

强度储备法在保持设计荷载不变的情况下不断按比例降低基岩的内摩擦角和凝聚力，直至拱坝失稳破坏，这样得到的强度储备系数即拱坝安全度。强度储备系数K_s由设计岩体的抗剪强度与岩体破坏时抗剪强度的比值决定，表达式为式中：τ_c为岩体设计抗剪强度;τ_d为岩体破坏时的抗剪强度。

综合法既考虑水荷载的超载，又考虑岩体材料参数的降低，通过降低岩体强度到一个强度储备系数K₁，再加大水的容重得到一个超载系数K₂，得到安全系数K，其表达式为[3-9]

K=K₁K₂（3）

2 计算模型及参数

陕西省引汉济渭工程等别为I等，工程规模为大（1）型。三河口水利枢纽为引汉济渭工程的两个水源之一，位于子午河佛坪县大河坝乡上游约3.8km处的子午河峡谷下游段，枢纽水库总库容为7.1亿m³，调节库容为6.5亿m³，主要由大坝、坝身泄洪放空系统、坝后引水系统、抽水发电厂房和连接洞等组成。该水利枢纽工程大坝设计分三个阶段：第一阶段拱坝体型设计为单圆心双曲拱坝（设计参数见表1），第二阶段设计为抛物线双曲拱坝（设计参数见表2），第三阶段根据第二阶段的抛物线双曲拱坝优化设计了变厚抛物线拱坝（设计参数见表3）。本文分别采用超载法、强度储备法及综合法对这三种体型拱坝的破坏过程及安全度进行分析，对于拱坝最后的失稳判定将采用位移突变法和屈服体积比进行判定[10-14]。采用ANSYS非线性有限元方法建立的拱坝整体计算模型见图1。

坝体混凝土采用solid65单元，坝基岩体采用solid45单元，坝基采用D-P准则进行模拟[10-13]，具体参数见表4。荷载组合考虑了自重、正常蓄水位静水压力（包括浪压力）、扬压力、泥沙压力、温降，不考虑地震荷载。

3 计算结果对比分析

3.1 超载法计算结果分析

本次采用的超载法是不断增加水的容重，既在正常水荷载作用的基础上，将水的容重按比例增加进行超载分析，计算荷载组合和正常情况一致，其他荷载包括泥沙压力、下游水压力、温降荷载、坝基和坝肩扬压力保持不变。

采用超载法进行计算，拱坝先在坝底和基岩交接处出现屈服区，随着超载系数的增大，屈服区不断扩展，由于坝体顶部附近的坝体比较薄，因此随后在坝体顶部出现局部屈服区，并不断扩展，直至整个坝体全部屈服，坝体和坝基交接处基岩也全部屈服，形成塑性连通区。单圆心拱坝屈服区发展见图2，其他体型拱坝的屈服区发展与图2类似，图2中黑色部分表示塑性应变大于1×10⁴的区域。

产生这种结果的主要原因是，超载计算时，当坝体局部区域发生破坏后，坝体的应力重新分布，这样坝体就提高了坝体未屈服部分的应力状态，而随后增加的水荷载将由这些屈服的坝体来承担，这样未屈服的部位开始慢慢屈服破坏，直至整个坝体发生破坏。与此同时，增加的水荷载通过坝体传至坝肩岩体，这样基岩的应力场发生了很大的变化，又因为较低部位承受的水荷载比较大，所以首先发生屈服，随着超载系数的增大，较高部位的岩体慢慢发生屈服，直至形成塑性连通区。

对于单圆心和抛物线拱坝，采用位移突变法和屈服体积突变法来判定拱坝的安全度，抛物线拱坝的安全度都略高于单圆心拱坝的，拱坝拱冠梁顶部的顺河向位移与超载系数的关系见图3，拱坝屈服体积比与超载系数的关系见图4门

另外，抛物线拱坝和优化后的变厚抛物线拱坝计算出的安全度基本相同，优化后的变厚抛物线拱坝对拱坝的安全度影响很小。

3.2 强度储备法计算结果分析

在荷載保持不变的情况下，不断按比例降低基岩的黏聚力和内摩擦角，计算结果显示，拱坝坝底和基岩交接处先出现屈服区，但随着超载系数的增大，屈服区不是向坝体扩展，而仅在坝体附近的基岩扩展，直至整个坝体和基岩交接处的岩体全部屈服，形成塑性连通区。坝基屈服区发展见图5，其他体型拱坝的屈服区发展与图5类似，图5中黑色部分表示塑性应变大于1×10⁴的区域。

产生这种结果的主要原因是，水荷载一直保持不变，基岩材料参数的降低对坝体的应力状态影响不大，拱坝失稳主要是由岩体材料参数的降低引起，应力比较高的岩体首先发生屈服，然后不断扩展，形成塑性连通区。强度储备法能充分反映坝肩岩体软弱夹层、破碎带等不稳定因素对坝体稳定的影响。

由图6和图7可以看出，位移突变法或者屈服体积突变法最终得到的单圆心和抛物线拱坝安全度相似，随着强度储备系数的增大，坝肩位移和屈服体积的发展基本一致。

3.3 综合法计算结果分析

综合法不仅考虑岩体和软弱结构面在水压力的作用下强度降低10%～50%的情况，而且考虑超标洪水等超载情况的影响。本次采用的综合法先将基岩的黏聚力和内摩擦角按比例降低30%，然后不断增大水的容重模拟坝体破坏过程。

采用综合法计算时，破坏模式取决于超载系数和强度储备系数组合模式，但主要取决于超载系数，与超载法的破坏模式相近。综合法单圆心拱坝屈服区发展见图8，其他体型拱坝的屈服区发展与图8类似，图8中黑色部分表示塑性应变大于1×10⁴的区域。

由图9可以看出，随着超载系数的增大，单圆心拱坝的位移略大于抛物线拱坝的，其安全度略小于抛物线拱坝的，两种抛物线拱坝的超载系数基本一致。由图10可以看出，当用屈服体积比判定最终的安全度时，三种体型的拱坝安全度基本一致，且随着超载系数的增大，屈服体积的发展情况基本一致。

由表5可以看出，不管是哪种体型的拱坝，采用超载法分析，都是坝趾处首先屈服，随着水容重的增加，坝踵部位开始屈服，紧接着坝顶部位局部屈服。采用强度储备法分析，在未降低强度时，坝踵部位的基岩存在局部塑性区，随着岩体参数的降低，坝趾处的岩体慢慢屈服。采用综合法分析，坝趾部位的混凝土首先屈服，随后坝踵部位的混凝土屈服，这与超载法计算结果相反，但最后都是坝顶部位屈服。

从上述分析可以看出：对于同一体型的拱坝，采用超载法、强度储备法和综合法进行分析，其拱坝及坝肩岩体的破坏模式是不相同的;对于不同体型的拱坝采用相同的超载模式，其破坏模式基本相同。

4 结语

（1）在该工程中对于同一体型的拱坝采用超载法、强度储备法和综合法进行破坏分析，得到拱坝及坝肩岩体的破坏过程是不相同的。对于不同体型的拱坝采用相同的破坏分析方法、其破坏过程是基本相同的。

（2）在坝肩岩体雄厚、没有过多破碎带或者软弱结构的情况下，选取超载法破坏模式能较精确地模拟坝体的破坏过程，最终确定拱坝的安全系数。采用超载法破坏模式时，主要是坝体本身首先大部分破坏，然后才是坝肩岩体屈服连通，也就是说，拱坝的安全系数基本取决于拱坝坝体的强度，坝肩岩体的强度对拱坝的安全系数影响较小。

（3）当坝肩岩体存在较多破碎带或者软弱结构时，用强度储备法模拟坝体的破坏过程较为合理。由计算结果可以看出，不断降低基岩的材料参数对拱坝坝体的破坏程度影响较小，仅基岩破坏区不断增大，直至形成塑性贯通区，导致计算不收敛，拱坝破坏，而坝体的破坏区域随着基岩材料参数的降低变化很小。

（4）采用综合法进行拱坝破坏模拟时，既考虑了岩体的结构，又考虑了上游水位超载情况，是超载法、强度储备法的综合，可以根据工程经验，首先考虑岩体软弱结构面及在水荷载作用下的折减系数，然后再考虑洪水超载情况的影响。这种方法能综合反映各种因素对拱坝的影响，更符合工程实际。

参考文献：

[1]朱伯芳.拱坝设计与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2002：9-11.

[2]林继镛.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2009：143-156.

[3]杨强，程勇刚，赵亚楠，等.混凝土拱坝的极限分析[J].水利学报，2003，34（10）：38-43.

[4]迟守旭，吴桂兰，张秀崧，等.特高拱坝体形适应性分析研究[J].水利水电技术，2017，48（10）：75-79.

[5]张优秀.高拱坝承载能力研究[D].武汉：武汉大学，2004：19-24.