某碾压混凝土重力坝引水系统浆砌石重力坝分缝处应力分析

某碾压混凝土重力坝引水系统浆砌石重力坝分缝处应力分析

1坝体材料及灌浆高程设计一个电报是一个压着混凝土的大水库，右岸有一条溢流通道。水库后面的车间，水库高129m，最大水库高159m。引水压力管道、厂房均为一级建筑物。引水管道为坝下游面钢衬钢筋混凝土结构,钢管内径10.5m,设计最大管内水压力(包括水锤压力)为166.25m。布置形式为半背式,即管道轴线以下部分嵌入坝体内,管侧壁与坝体混凝土间以3cm厚的软垫层分隔,背管外包混凝土厚度为1.5m。材料的力学参数见表1。为适应地基不均匀沉降、受施工浇筑能力及温控要求,本工程采用厂坝分缝结构型式。厂坝分缝处的灌浆高程对钢管、混凝土结构及大坝和厂房的整体稳定性影响十分重要。基于厂坝分缝处灌浆高程的优选准则,为减小厂坝间的相互作用与相对位移,确保厂坝分缝处钢管和混凝土结构的受力状态最佳,本文以某坝后背管工程为例,针对引水系统下平段厂坝分缝处钢管采用外包软垫层形式,在线弹性假定条件下,采用大型通用有限元软件ANSYS建立坝下游面钢衬钢筋混凝土管的整体模型,对不同灌浆高程厂坝分缝处钢管及混凝土结构的相对位移和应力状态的影响进行敏感性分析,从而选定最佳的厂坝分缝处灌浆高程,为工程设计、施工提供有益参考。2流量模型和有限模型2.1组合预测和负荷效应2.1.1厂坝分缝与分层灌浆为研究不同灌浆高程对厂坝分缝处结构的相对位移及钢管和混凝土应力状况的影响,计算分析了三种灌浆方案,通过对比确定最佳灌浆方案:①灌浆方案Ⅰ。厂坝分缝处分缝至大坝建基面高程980m,大坝与厂房混凝土分缝处完全分开,并假定为两个独立结构且互不影响(图1(a))。②灌浆方案Ⅱ。厂坝分缝处灌浆至管道底部高程1001.75m,根据施工加载顺序,先分缝,待大坝建成且自重变形基本完成后再灌浆(图1(b))。③灌浆方案Ⅲ。厂坝分缝处灌浆至高程1021.5m,大坝与厂房经灌浆完全连为一体,既能传递水平推力又能承受剪力(图1(c))。2.1.2结构应力状态厂坝分缝处灌浆高程选择的关键是灌浆后的结构应满足厂坝分缝处大坝与厂房的相对位移、钢管与混凝土结构的应力状态要求。重力坝的常规荷载(如自重、静水压、水锤压力、扬压力、温度作用和地震等)对其均有不同影响,基于规范要求,计算方案和荷载组合见表2。2.2有限模型(1)机层以上结构的简化由进水口(包括拦污栅墩)、压力管道、坝体、厂房及地基组成,建模时对厂房水轮机层以上结构作了简化,并将自重荷载施加于计算模型上。计算时进水口、压力管道、垫层、坝体及地基均采用八节点等参单元,拦污栅墩横向连系梁与支承梁采用三节点梁单元模拟,钢管采用板壳单元模拟;并采用质量单元模拟坝体上游面与厂房下游面所受的动水压力。(2)y轴面向下游x轴沿水平向指向下游为正,零点在坝轴线处;y轴亦为水平向,指向左岸(面向下游)为正,零点在管轴线处;z轴沿铅垂向向上为正,零点在0.0m高程处。(3)底部、压实混凝土两侧面计算中,基岩的上、下游端面和左、右两侧及底部、碾压混凝土两侧面(高程1070m以下)按法向连杆模拟,其他表面按力边界或自由边界考虑。整体模型网络如图2所示。3结果与分析3.1结构变形3.1.1厂坝分缝断面相对位移在五种工况作用下(表2),三种灌浆方案的厂坝分缝处两侧的位移见表3,分析时取主要控制断面及断面关键点见图3、4。由表可知:①相同工况下,高程越低受岩体约束越大,在同一断面相对位移按90°(管顶)、0°和180°(管腰)、270°(管底)逐渐减小。②顺水流向水平相对位移,分缝两侧相互靠拢;竖向相对位移,坝体一侧沉陷位移大于下游厂房一侧。③方案Ⅰ、Ⅱ在工况4下分缝两侧各方向的相对位移均最大,而方案Ⅲ相对位移基本相等。④由厂坝分缝处垫层管的相对位移看,方案Ⅰ厂坝分缝处水流向和铅直向相对位移均最大,方案Ⅲ最小,方案Ⅱ介于两者之间。可见,在满足混凝土结构强度及厂坝相互作用的基础上,适当加高厂坝过缝处的灌浆高度对分缝处厂坝相对位移有利。3.1.2机墩上向下游倾斜的趋势不同的灌浆方案对厂房内机墩及下机架处基础不同方向相对偏移有一定影响。表4为各工况下机墩及下机架关键点(图3)位移。由表可知:①在工况1下,机墩上A、B、C、D四点的水流向位移均为负值,表明厂房主要是整体向上游变形;铅直向位移也均为负值且上游侧大于下游侧,表明机墩在整体向下变形的基础上还具有向上游倾斜的趋势。②在工况2下,由于大坝库水压力的作用,大坝带动基础向下游变形,使厂房也向下游变形,对方案Ⅰ,机墩上A、B、C、D四点的水流向位移仍保持为负值,但数值约从-13mm减至-2mm;而对方案Ⅱ、Ⅲ,由于灌浆高程较高,机墩上A、B、C、D四点的水流向位移均变为正值,且方案Ⅲ大于方案Ⅱ,表明灌浆高程越高,对厂房变形影响越大。③从机墩及下机架基础水流向相对位移的最大值看,方案Ⅰ1.21mm最小,方案Ⅱ1.58mm次之,方案Ⅲ1.87mm最大;从铅直向相对位移的最大值看,方案Ⅰ5.56mm最大,方案Ⅱ5.20mm次之,方案Ⅲ3.93mm最小。表明灌浆高程较低时(方案Ⅰ),对减小机墩定子和下机架基础面的径向位移较为有利,但对减小机墩定子基础和下机架基础面的倾斜度(直接影响到机组主轴偏移)较为不利,方案Ⅲ则与之相反,方案Ⅱ介于两者之间。综上所述,从厂房整体变形有利的角度,建议采用灌浆方案Ⅱ。3.2结构应力分析3.2.1钢管壁厚加固比较三种灌浆方案相应工况下的钢管应力,方案Ⅰ厂坝分缝处钢管应力最大达442.48MPa,钢管壁厚需加厚较多方能满足应力要求;方案Ⅱ、Ⅲ厂坝分缝处的钢管应力最大值分别为265.48、223.94MPa,均小于钢材的抗力限值286.7MPa,方案Ⅱ、Ⅲ的管壁厚度均能满足强度要求,但方案Ⅲ对钢管受力较为有利。3.2.2种方案的对比分析在工况1条件下,三种灌浆方案关键断面外围混凝土的环向与轴向应力分别见图5、6。由图5可看出,三种灌浆方案#8断面顶部与底部环向应力为拉应力,顶部内侧最大,两腰部均为压应力。方案Ⅰ大部分荷载由钢衬承担,外围混凝土的应力相对较小,且在顶部与腰部45°大部分呈压应力状态。方案Ⅱ、Ⅲ应力基本相当,但方案Ⅱ顶部应力较方案Ⅲ大,底部应力较方案Ⅲ小。由图6可知,三种灌浆方案#8断面混凝土结构轴向呈不同的受力状态。方案Ⅰ由于厂坝完全分离,#8断面内侧轴向均出现了较大的拉应力,混凝土结构受力极为不利;方案Ⅱ仅在腰部以上出现较小的拉应力,其他均为压应力;方案Ⅲ轴向均为压应力,且数值在三种方案中最大。综上所述,方案Ⅰ厂坝相互作用小,厂坝分缝处混凝土结构环向受力条件好,但对混凝土结构轴向受力和分缝处钢管受力不利,方案Ⅲ与之相反,方案Ⅱ介于两者之间。可见,在满足混凝土结构强度及厂坝相互作用的基础上,适当提高厂坝分缝处灌浆高程可改善分缝处钢管和混凝土结构的受力状态。4厂坝分缝灌浆a.在常规荷载与地震荷载作用下,适当提高厂坝分缝处灌浆高程均可减小垫层管、机墩和下机架的相对位移,改善分缝处钢管和混凝土结构的受力状态,因此综合比较厂坝分缝处的施工条