浆砌石重力坝加高中弹性模量的影响

浆砌石重力坝加高中弹性模量的影响

田静，罗全胜

（黄河水利职业技术学院，河南，开封，475001）摘要：本文通过对宝泉电站下水库大坝的二维有限元分析，讨论了浆砌石重力坝加高的过程中，新老坝体弹性模量的差异性对坝体位移及坝体受力的影响。为大坝加高工程的进一步分析奠定基础。

关键词：弹性模量；浆砌石重力坝加高；有限元

The Effet elastic modulus of in Heightening Cement-Rubble Gravity Dam

Tian Jing，Luo Quan-sheng

(Y ellow river conservancy technical institute, henan, kaifeng, 475001) Abstract: In this paper, by analyzing the result calculated by finite element method in dam of BaoQuan reservoir, the effect of elastic modulus on deformation and stress is discussed in heightening cement-rubble gravity dam. This will provide a theory structure for a further analys is in heightening cement-rubble gravity dam.

Key Words: elastic modulus; heightening cement-rubble gravity dam; finite element method.

随着人们对水电资源的需求增加，而适合建坝的新坝址越来越少，已建大坝的加高，将成为未来大坝建设的重点。大坝加高在国外已有许多工程实例，如日本的王泊坝，美国的也尔齐坝，印度的科伊纳大坝。我国大坝加高的实例相对较少，位于大连市郊的英那河大坝加高，丹江口大坝的加高。

大坝加高会带来一些问题，例如坝踵应力恶化问题，新老混凝土结合问题等。上世纪60年代推倒出了大坝加高附加应力的材料力学和弹性力学方法，目前的大坝加高计算主要采用仿真分析的方法。无论采用何种方法分析，准确的确定新老

坝体的弹性模量至关重要。在大坝加高的过程中，一方面老坝体已处于稳定状态，弹性模量难以准确给出，另一方面新坝体（后期加高部分）与老坝体的材料特性存在差异，新老坝体弹性模量存在差异性。老坝体弹性模量的不确定性和新、老坝体弹性模量差异性对坝体受力及坝体位移的影响值得研究。本文通过对宝泉电站下水库大坝的二维有限元分析，讨论了大坝加高的过程中，新老坝体弹性模量的差异性对坝体位移及坝体受力的影响。

1 计算条件

1．1 基本情况

宝泉抽水蓄能电站下水库利用已建的宝泉水库进行加高加固而成，主要建筑物为浆砌石重力坝，最大坝高107.5m，为国内最高的浆砌石重力坝，而且宝泉水库大坝已经经历了三次加高，老坝存在坝体砌筑不密实，新老砌体异弹模等问题。溢流坝段、河床挡水坝段和岸坡挡水坝段的纵剖面见图1、图2、图3。计算中采用的材料特性见表1。

图1 溢流坝段剖面图

图2 河床挡水坝段剖面图

图3 岸坡挡水坝段剖面图表1 材料物理特性

材料或部位物理量计算取

值

单位备注

坝体容重γs 2.30 t/m3

基岩容重γs

基

2.63 t/m3

溢流面板混凝土弹性模量E230.00 GPa

基岩弹性模量E320.00 GPa

浆砌石体泊松比ν10.200 新、老坝体

混凝土泊松比ν20.167 新、老坝体

基岩泊松比ν30.300

1．2 计算工况

根据实验数据，老坝体弹性模量在6.5GPa~7.5GPa之间，新坝体弹性模量在5.0GPa~9.0GPa 之间。由于弹性模量的不确定性，为了研究弹性模量对坝体受力及坝体位移的影响规律，计算时新老坝体弹性模量在其区间内各取3个值。老坝体弹性模量为6.5GPa、7.0GPa、7.5GPa，新坝体弹性模量为5.0GPa、7.0GPa、9.0GPa，分析时将有9种弹性模量组合。

在大坝加高过程中，水库蓄水位的变化对坝体受力及坝体位移产生影响。结合宝泉下水库大坝具体情况，确定244m、252m、255m、260m四种蓄水位，分别对溢流坝段、河床挡水坝段和岸坡挡水坝段进行研究。

3个典型断面分别对应4种蓄水位和9种弹性模量组合，最终形成54（2×4×9）种计算工况。计算工况见表2。

表2 计算工况

坝段

蓄水位（m）

计算工况244 252 255 260

溢流坝段

6.5/5.0 6.5/

7.0 6.5/9.0

7.0/5.0 7.0/7.0 7.0/9.0

7.5/5.0 7.5/7.0 7.5/9.0

老坝体弹性模量/新坝体弹性模量（GPa）3个典型坝段

4种蓄水位

9种弹性模量组合108种计算工况

河床挡水坝段

岸坡挡水坝段

1．3 计算荷载

每中工况考虑坝面水压力、坝体自重、泥沙压力和扬压力四种荷载。

1．4 计算模型

建立了溢流坝段、河床挡水坝段和岸坡挡水坝段3个典型坝段共108种工况的断面二维有限元模型，各坝段中的廊道周边单元网格进行了局部加密。溢流坝段、河床挡水坝段坝段及岸坡挡水坝段的二维有限元模型见图4、图5和图6。

图4 溢流坝段坝体二维有限元模型

/图5 河床挡水坝段二维有限元模型

图6 岸坡挡水坝段二维有限元模型

2 计算结果分析

对计算结果的分析可知，新、老坝体弹性模量对坝体垂向应力σy有较大影响，水位越高影响越大。但同一典型坝段同一弹性模量组合情况下，坝体应力及位移随蓄水位的变化规律基本一致。因此仅分析正常蓄水位（260m）时在不同弹性模量组合情况下，坝体应力及位移的变化规律。重点对3个典型坝段的坝顶总位移及其坝踵和坝址的垂向正应力σy随弹性模量的变化规律进行了分析。

2．1弹性模量对坝体受力的影响

从表3、表4和表5的计算结果分析中可知，溢流坝段正常蓄水位时，新、老坝体弹性模量对坝踵（FH）垂向正应力σy影响最大，最大绝对变幅达到了151.58kPa，相对变幅为91.25%；对坝趾（FT）垂直正应力σy的影响相对最小，垂向正应力最大绝对变幅为16.01kPa，相对变幅为0.39%；对新、老坝体接触面中心垂向正应力影响较小，最大绝对变幅为65.71kPa，最大相对变幅为11.10%。

河床挡水坝段正常蓄水位时，新、老坝体弹性模量对坝踵（FH）σy影响最大，最大绝对变幅达到了333.93kPa，相对变幅为389.92%；对坝趾垂向正应力的影响较小，垂向正应力最大绝对变幅为93.39kPa，相对变幅为5.84%；对新、老坝体接触面中心垂向正应力影响最小，垂向正应力最大绝对变幅为24.02kPa，最大相对变幅为3.72%。

岸坡挡水坝段正常蓄水位时，新、老坝体弹性模量对坝踵（FH）σy影响最大，垂向正应力