双曲拱坝坝体结构有限元分析

生态河道中护岸形式的探索及应用 刘娜娜 杨德全 张书宽
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性 、水生植物的保护性和净水性 、护坡草皮的景观性与亲水性 为一体的新型护岸结构 。该护岸是将石笼作为护脚材料 ,内部 装入碎石 ,并同时在迎水一侧装入具有净水作用的球状填料 (球状净水填料可根据水体的污染状况进行选择 ,如水体以有 机污染为主 ,则可选择生物活性炭填料 ;如水体的污染是以富 营养化为主 ,则可选用由铁屑和黏合剂合成的球状净水材料) 。 最上层石笼的上部覆土种植水生植物 ,进一步净化水质 。该护 岸结构也可直接以水生植物为净水材料种植在石笼内 。上部 坡面可采用三维植被网种植植被 , 以达到固土护坡 、美化环境 的目的 。该 类 护 岸 结构 可 用 于 坡 度 较 大 、水 质 较 差 的 岸 坡 保护 。
情况 ,同样应分析坝体出现拉应力部位及拉应力数值的大小 。 (3) 计算分析拱坝在泄洪条件下的坝体应力和变位情况 ,
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以及坝体振动频率 。 计算时 ,基本荷载组合条件下 、特殊荷载组合条件下以及
泄洪条件下等工况对应的荷载组合如下 。 ①基本荷载组合 :初始自重应力场 + 水库蓄水至正常水位
+ 温度荷载 ; ②特殊荷载组合 :初始自重应力场 + 水库蓄水至 校核水位 + 温度荷载 ; ③考虑泄洪动荷载影响 :初始自重应力 场 + 水库蓄水至设计洪水位 + 温度荷载 ;
然风情 。 西溪湿地的水生植物种植采取了大量片植 、沿岸列植和点
植相结合的方式 ,以充分体现湿地大范围景观的粗犷 ,并能透 出局部景观的精致 ;挺水植物主要有芦苇 、芦荻 、芦竹 、黄菖蒲 等 ;浮水植物有菱 、莲等 ;沉水植物则由于清淤 、航运频繁之故 导致湿地范围内的河道 、池塘水体浑浊 ,水体光照不足 ,因此在 整治与保护期间不宜引进沉水植物 ,但在中后期 ,可适当引入 金鱼藻 、水 麦 冬 等 沉 水 植 物 , 以 便 维 持 河 道 、池 塘 内 的 底 泥 稳定 。
2 工程实例
2. 1 中山岐江公园栈桥式亲水生态湖岸
岐江两岸采用梯田式种植台 ,在最高和最低水位之间的湖 底修筑 3～4 道挡土墙 ,墙体顶部可分别在不同水位时被淹没 , 墙体所围空间回填淤泥 ,由此形成一系列梯田式水生和湿生种 植台 ,它们在不同时段内完全或部分被水淹没 。在此梯田式种 植台上 ,空出一系列方格网状临水步行栈桥 ,它们也随水位的 变化而出现高低错落的变化 ,都能接近水面和各种水生 、湿生 植物和生物 。同时 ,允许水流自由升落 ,而高挺的水际植物又 可遮去挡土墙及栈桥的架空部分 。人行走其上犹如漂游于水 面或植物丛中 。
1 工程概况
陆河新坑水库位于广东省陆河县新田镇新坑管区境内 ,是 一座以防洪为主 ,在放水灌溉过程中兼有发电功能的中型水 库 ,集雨面积 20. 67 km2 ,总库容为 1 653 万 m3 。本工程属于 三等工程 ,其主坝为砌石双曲拱坝 。根据 2004 年初陆河县水 利局组织的水库安全鉴定 ,水库大坝安全等级为 C 级 ,应进行 除险加固工程 。
中国农村水利水电 ·2006 年第 10 期
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文章编号 :100722284 (2006) 1020095202
双曲拱坝坝体结构有限元分析
龚玉锋1 ,丁旭柳2
(1. 深圳市水利规划设计院 ,广东 深圳 518008 ;2. 深圳市勘察研究院基础工程公司 ,广东 深圳 518026)
摘 要 :采用三维弹塑性有限元方法对新坑水库浆砌石双曲拱坝在多种荷载组合作用下的坝体应力及变形进行了 多种工况的计算 。结果表明 ,坝体的应力及变形均满足承载要求 ,但对本工程存在的问题从结构承载的角度分析应进行 加固处理 ,其结论和成果对于其他同类拱坝结构分析具有参考价值 。 关键词 :双曲拱坝 ;结构 ;有限元分析 中图分类号 : TV642. 4 + 2 文献标识码 :A
模型计算范围 :为了减小边界条件对于拱坝计算的影响 , Z 轴正方向取至地表 ,负方向取至坝基以下约 3 倍坝高深度 ,即 高 程100. 0 m位置 ; Y方向从拱坝上游约130 m处取至拱坝下
150 m 处取至距拱坝左坝肩约 120 m 处 ,共约 450 m 的宽度 。 模型边界条件 :计算模型左右两侧 、上下游及底部边界施
1. 20
20. 0
3 计算内容及工况
本文采用三维弹塑性有限元分析方法对砌石双曲拱坝及
收稿日期 :2006209201 作者简介 :龚玉锋 (19742) ,男 ,工程师 ,博士 。
坝基进行整体结构计算 ,主要研究内容包括如下 。 (1) 计算拱坝基本荷载组合条件下的坝体应力和变位情
况 ,重点分析坝体出现拉应力部位及拉应力数值的大小 。 (2) 计算分析拱坝特殊荷载组合条件下的坝体应力和变位
为此 ,本文对大坝结构承载进行计算 ,并对承载特性进行 分析 ,从定量的角度评价大坝结构的安全 。
图 1 新坑水库拱坝有限元模型图
2 计算模型及材料物理力学参数
游约 210 m 处 ,共约 340 m 的宽度 ; X 方向从距拱坝右坝肩约
采用有限元法对拱坝及坝基 、山体进行整体建模 ,其中模 型坐标系取沿铅垂向为 Z 轴 , 向上为正 ; 顺水流方向为 Y 轴负 方向 ; X 轴为水平向 ,且与 Y 轴线垂直 。坐标系满足右手螺旋 , 模型参见图 1 。
以上各种工况中对于荷载的考虑分述如下 。 静水压力 :上游面按 50 年一遇的设计洪水位考虑 ,即水位 为 295. 13 m ,水的容重取采用 9. 81 kN/ m3 ,泥沙压力按泥沙容 重 12. 0 kN/ m3 取 。 温度荷载 :按运行期间坝体砌体温度与封拱温度的差值确 定。 自重 :主要为坝体浆砌石的重量 ,其容重按 24. 0 kN/ m3 采 用。 坝基及坝肩岩体的初始地应力场按自重应力场考虑 。
拱冠剖面坝底位置位移为 7. 67 mm 。
4. 3 考虑泄洪动荷载影响
新坑拱坝采用坝顶开敞式溢洪道 ,平面上以拱坝中心线为 对称轴沿径向对称分布 ,进口总宽 35. 74 m ,出口总宽 32. 56 m ,溢洪 道 堰 顶 高 291. 5 m , 堰 底 高 287. 28 m , 挑 射 角 度 为 18. 7°。调洪演算结果得到设计洪水泄量为 463. 0 m3 / s ,出口单 宽流量为 14. 22 m3 / s ,相应的堰顶水位为 295. 53 m 。根据动 量公式 ,可得堰底所受的单宽压力 300. 1 k Pa ,将其施加到大坝 模型上 ,来模拟泄洪引起的动荷载 。经计算 ,最大压应力仍出 现在拱底下游面处 ,其值 4. 63 MPa ,拉应力最大值出现在拱底 上游面 ,其值 738. 8 k Pa 。坝体最大位移在拱冠剖面的坝顶位 置 ,其值为 37. 66 mm ,拱冠剖面坝底位置位移为 7. 85 mm 。
3 结 语
生态河道 ,讲究水体的景观 ,无论是制造碧波荡漾还是潺
潺流水的水体景观 ,都是需要生态型护岸来营造的 。为了实现
人与水 、人与生物之间的微妙关系 ,以实现一个生态化 、人性
化 、既实用且美观的护岸 。所以护岸的选择也决定的河道的生
存与发展 ,设计人员对护岸的设计也一定要谨慎 。
通过上述护岸形式 ,配合樟树 、柳树 、桑树 、竹子 、芦苇等构
加法向链杆 ,即左右两侧边界为 X 方向约束 , 上下游边界为 Y 方向约束 ,底部边界为 Z 方向约束 。模型采用 8 节点六面体单 元 ,按三维弹塑性问题考虑 ,共剖分为 11 034 个单元 ,14 238 个 节点 ,计算精度可满足精度需要 。
坝体及坝基主要物理力学参数见表 1 。
表 1 坝体及坝基主要物理力学参数表
5 结 语
根据以上分析 ,可以得出如下几点结论 。 (1) 从拱坝拱冠剖面的情况来看 ,拱坝的位移不大 ,基本 荷载组合时 ,最大位移为 26. 73 mm ,特殊荷载组合时 ,最大位 移为 36. 8 mm 。通过拟静力法考虑泄洪动荷载影响 ,得到在大 坝泄洪条件下的最大位移为 37. 66 mm 。 (2) 新坑双曲拱坝坝体上下游采用 150 # 砂浆砌料石衬砌 , 其中砌石厚度 0. 5～2. 5m ,参照《浆砌石坝设计规范 SL25Ο91》, 浆砌石体极限轴心受压应力为 8. 0～10. 0 MPa ,浆砌石体极限 抗拉强度为 420～840 k Pa 。从计算结果可以看出 ,最大压应力 以及最大拉应力都小于浆砌石的容许受压 、 (下转第 99 页)
4. 2 特殊荷载组合
在特殊荷载组合下 ,坝体应力 、位移分布规律与基本荷载 组合基本一致 ,最大压应力出现在拱底下游面处 ,其值 4. 52
图 5 大坝下游面最大主应力云图
MPa ,拉应力最大值出现在拱底上游面 ,其值 721. 9 k Pa 。 坝体最大位移在拱冠剖面的坝顶位置 ,其值为 36. 82 mm ,
成的水生 、陆生植被资源和鸟类 、鱼类野生动物资源 ,恢复生态
河道的生物多样性和特殊性 ,坚持生态效益 、社会效益和经济
位于烟水渔庄和深潭口之间的大片池塘里 ,水生植物丰富 多彩 ,如菖蒲 、水茭白 、水葱 、浮萍 、野芹菜等 ,通过长长的亲水 栈道在塘边环绕 ,游人可以信步走入水上 ,触手可得栏边亭亭 的碧荷 ,俯身便可和鱼儿打个招呼 ,让人乐而忘返 。正是通过 挖掘了历史文化内涵 ,并指导植物配置和植物群落恢复 ,再现 了西溪湿地的景观特色 。
热膨胀系数/ ( ℃- 1)
浆砌石
弹性模量/ ( GPa)
泊松比
容重/ ( kN ·m - 3)弹性模量/Βιβλιοθήκη ( GPa)基 岩 泊松比
容重/ ( kN ·m - 3)
淤沙浮容重/ (t ·m - 3)
淤沙摩擦角/ (°)
0. 000 008
8. 82
0. 2
23. 52
10. 78
0. 25
21. 56
4 计算成果分析
4. 1 基本荷载组合
根据有限元计算 ,得到拱坝拱冠及坝肩等部位的位移 、应 力成果 (见图 2～图 5) ,下面对计算成果分析如下 。
双曲拱坝坝体结构有限元分析 龚玉锋 丁旭柳 图 4 大坝下游面最小主应力云图
图 2 大坝上游面位移云图
图 3 大坝最大坝段剖面位移云图 在基本荷载组合下 ,最大压应力出现在拱底下游面处 ,其 值 2. 39 MPa ,拉应力最大值出现在拱底上游面 ,其值 597. 89 kPa 。最大位移在拱冠剖面的坝顶位置 ,其值为 26. 73 mm 。
水际植物群落 :根据水位的变化及水深情况 ,选择乡土植 物形成水生 - 沼生 - 湿生 - 中生植物群落带 ,所有植物均为野 生乡土植物 ,使岐江公园成为多种乡土水生植物的展示地 ,让 远离自然 、久居城市的人们 ,能有机会欣赏到自然生态和野生 植物之美 。同时随着水际植物群落的形成 ,使许多野生动物和 昆虫也得以栖居 、繁衍 。所选野生植物包括 :荷花 、茭白 、菖蒲 、 旱伞草 、茨菰等 ;湿生和中生的包括芦苇 、白茅和其他茅草 、苦 苡等 。
2. 2 杭州西溪湿地生态护岸形式
西溪湿地 ,原占地约 10 km2 ,现在仅占地约 3. 46 km2 ,是 罕见的城中次湿地 。其生态资源丰富 、自然景观质朴 、文化积 淀深厚 ,是集城市湿地 、农耕湿地 、文化湿地于一身的国家湿地 公园 。
西溪湿地公园 ,河道护坡采用松木桩 、自然草皮 、树木护 坡 ,以及块石护坡等多种生态护坡形式 ,主要以生态自然为主 , 打造真正的生态河道 ,河床亦采用天然河底 ,还原自然 ,恢复自
2. 3 深圳福田河
福田河穿越深圳笔架山公园 、中心公园 ,最后注入深圳河 , 全长 6. 8 km ,笔架山公园上游段采用蜂巢网格护垫 ,并辅助草 皮护坡 。中游段采用直立式挡墙 ,块石护坡 。经过整治 ,河道 景观 、水质都得到了不同程度的改善 ,取得较好的效果 。
福田河护岸选取的水生植物的种类如下 : 挺水植物种类 :花叶芦荻 、风车草 、再力花等 。 浮叶植物种类 :睡莲 、荇菜 、空心菜 、大薸等 。 沉水植物种类 :苦草 、黑藻 、金鱼藻等 。 福田河经过综合整治 ,逐步地恢复了人与河道和谐相处 空间 。