丹江口大坝加高溢流坝闸墩结构分析

第５卷第６期　ＶｏＬ５　Ｎｏ．６　２００７年１２月　Ｄｅｃ　２００７　丹江口大坝加高溢流坝闸墩结构分析　陕亮，肖汉江，徐跃之　（长江科学院材料与结构研究所，武汉４３００１０）　摘要：以丹江口大坝溢流坝边墩为研究对象，通过三维有限元接触问题非线性计算，分析在溢流面加高过程中，不同的　Ｏ　溢流面与老闸墩的结合状态下（脱开与不脱开），各阶段包括加高完成后、正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位时闸墩　№　的受力状况、锚筋应力和结合面张开度。计算结果表明：锚筋的无黏接长度以１００　ｃｍ为宜；将边墩１６２　ｍ高程以上加　水眦　南出　Ｗ　高部分与旁边重力坝段加高部分连成整体，或在结合面张开最大的部位沿竖直向增加一排约束，均可有效减小混凝土　竖直向应力，且对抑制结合面张开亦有较大作用。　北ｎ　ａ　关键词：丹江口大坝；加高过程；溢流坝闸墩　调　中图分类号：ＴＶＩ３１．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１６８３（２００７）０６—００４８—０３　与一ｄ　　水Ｗ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　０１１　Ｏｖｅｒｆｌｏｗ　Ｄａｍ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｄａｎｊｉａｎｇｋｏｕ　Ｄａｍ　ｉｎ　Ｈｅｉｇｈｔｅｎｉｎｇ　才ｌ利日Ｓ　—　ＳＨＡＮ　ＩＡａｎｇ，ＸＩＡＯ　Ｈａｎ－ｉｉａｎｇ，ＸＵ　Ｙｕｅ￣ｚｈｉ　（Ｗａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　ＳｃｉｅｎｔｉＪＴｃ　Ｒｅｓｅａｒ￣ｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ　４３００１０，Ｃｈｉｎａ）　技　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｑｕｅｓｔｉｏｎ　ｎｏｎ～ｌｉｎｅａｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ，ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｆｌｏｗ　ｄａｍ　ｓｉｄｅ　ｐｉｌｌａｒ　ｏｆ　ＤａｎＪｉａｎｇｋｏｕ　ｄａｍ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｂｊｅｃｔ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｆｌｏｏｄｇａｔｅ　ｐｉｌｌａｒ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ．ｔｈｅ　ａｎｃｈｏｒ　ｒｏｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅａｍ　ｏｐｅｎ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｂｏｕｎｄ　ｃｏｎ—　∞　∞　ｄｉｔｉｏｎ（ｊｏｉｎｔ　ｏｒ　ｄｉｓｊｏｉｎｔ）ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｆｌｏｗ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｏｏｄｇａｔｅ　ｐｉｌｌａｒ　ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｈｅｉｇｈｔｅｎｉｎｇ　ｓｔａｇｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｖｏｌｖｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅｉｇｈｔｅ—　ｎｉｎｇ，ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｏｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ，ｄｅｓｉｇｎ　ｆｌｏｏｄ　ｌｅｖｅｌ　ａｎｄ　ｃｈｅｃｋ　ｆｌｏｏｄ　ｌｅｖｅ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｎｏｎ—ｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ａｎｃｈｏｒ　ｂａｒ　ｙ　ｔａｋｅｓ　１００　ｅｍ　ａｓ　ｐｒｏｐｅｒ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｈｅｉｇｈｔｅｎｅｄ　ｐａｒｔ　ａｂｏｖｅ　ｔｈｅ　１６２　ｍ　ｏｆ　ｓｉｄｅ　ｐｉｌｌａｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ａｄｊａｃｅｎｔ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｄａｍ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｓ　ａ　ｗｈｏｌｅ，ｏｒ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ａ　ｒｏｗ　ｏｆ　ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　ａｌｏｎｇ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｏｐｅｎ　ｓｐｏｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｅａｍ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｍｉｇｈｔ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ　ｓｕｐｐｒｅｓｓ　ｔｈｅ　ｓｅａｍ　ｔｏ　ｏｐｅｎ　ｇｒｅａｔｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ　Ｄａ￣ｉａｎｇｋｏｕ　Ｄａｍ；ｈｅｉｇｈｔｅｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ；ｆｌｏｏｄｇａｔｅ　ｐｉｌｌａｒ　ｏｆ　ｏｖｅｒｆｌｏｗ　ｄａｍ　１　引　言　取边墩２４号溢流坝段为研究对象，计算不同荷载作用下　的坝体应力。各工况的荷载组合见表１，如果结合面按不脱　在丹江口大坝溢流面加高过程中，闸墩将作为混凝土浇　开处理，计算时考虑老堰体以上加高部分液态混凝土按分层　筑施工的侧向模板，浇筑层的液态混凝土将在闸墩侧面产生　浇筑对边墩侧面产生的侧向荷载，见图１（图１中，ｒ为混凝土　侧向荷载，从而在闸墩内产生内力，整个溢流面加高混凝土在　重度，取２４　ｋＮ／ｍａ）；如果结合面按脱开处理，则计算时撤消　闸墩内产生的应力将存在一定的累积效应。这种效应最终是　该侧向荷载。　否延续到运行阶段，则与加高的溢流面与老闸墩之间的结合　计算模型：加高前溢流堰顶高程１３８　ｍ，墩顶高程　状态有关。若加高的的溢流面与老闸墩脱开或部分脱开，初　１６２　ｍ；加高后堰顶高程１５２　ｍ，墩顶高程１７６．６　ｍ。老坝坝　始内力将被释放，溢流面对闸墩的约束作用将大为降低，其闸　体建基面高程７９～９９　ｍ，坝底顺水流向长８２　ｍ，单块坝宽　墩结构高度发生变化；若加高的溢流面与老闸墩不脱歼，此　２４　ｍ。典型溢流坝段计算模型见图２。基岩在上、下游及深　时，初始内力将被带入到运行期，对运行期坝体应力产生影　度方向各取１．５倍坝高。基岩底部全约束，假定基础上游垂　响。本文通过三维有限元接触问题非线性计算分析结构的受　直面为自由边界，下游垂直边界及两侧取法向约束。坐标轴　力状况，探讨解决问题的办法。　方向：ｘ轴为顺水流向，Ｙ轴正向指向左岸，Ｚ轴竖直向上。Ｚ　坐标与坝体实际高程一致。　２计算内容　收稿日期：２００７—０８—２９　基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”（２００６ＢＡＢ０４ＡＯ１）　作者简介：陕亮（１９７６一），男，湖北公安人，工程师，主要从事水工结构计算方面的研究。　．蟾．　南”　承　。　地　讽　维普资讯 http://www.cqvip.com

陕　亮等・丹江口大坝加高溢流坝闸墩结构分析　表１荷载组合表　注：工况７、工况１３中的运行期考虑环境温度变化（本文中略去）。　ｌ５２０　图ｌ液态混凝土荷载示意图　图２计算模型图　３计算条件及模拟方法　３．１材料参数　老混凝土：弹性模量３５　ＧＰａ，泊松比０．１６７，重度２４　ｋＮ／　；　新混凝土：弹性模量２４　ＧＰａ，泊松比０．１６７，重度２４　ｋＮ／ｍｓ；　基　岩：弹性模量２０　ＧＰａ，泊松比０．２２，重度２４　ｋＮ／　；　锚　筋：弹性模量２１０　ＧＰａ，泊松比０．２７。　锚筋允许应力取值为２８０　ＭＰａ（以下简称允许值）。　３．２动水压力　动水压力根据溢流坝水面线Ｅ１＿按静水压力的１．１倍取值。　３．３液态混凝土对闸墩侧向荷载的考虑　假定施工过程中新堰体与边墩不脱开，考虑到液态混凝　土在凝固前不能承担荷载，所以当新浇筑层液态混凝土对边　墩产生侧向压力时，仅已浇筑凝固的混凝土才与边墩共同承　担这个侧向压力。　３．４锚筋布置　为加强闸墩与溢流堰的联系，在新堰面以下设置一排锚筋　５＠２０，布置在距墩头４～３１．５　ｍ之间。当锚筋不设无黏接　长度直接埋人混凝土内，其可变形长度按１５　ｄ即３７．５　ｃｒｎ计　算。本文中钢筋单元按完全弹性体考虑，即不考虑钢筋的强　化、屈服、破坏的非线性过程。　４计算成果　４．１锚筋虚力　４．１．１不设无黏接长度的锚筋应力　当新堰体与闸墩不脱　开时，各工况计算的锚筋应力都很小。　当新堰体与闸墩呈脱开状态时，按正常蓄水位（即工况　８）运行，锚筋应力超过允许值的约占全部锚筋的４４　，锚筋　最大应力７７６．８　ＭＰａ；按设计洪水位双孔泄水（即工况９）及　单孔泄水（即工况１０）、校核洪水位双孔泄水（即工况１１）及单　孔泄水（即工况１２）运行，超过允许值的锚筋分别约占全部锚　筋的７８　、５０　、８３％、５６　，其锚筋最大应力分别为９３７．７　ＭＰａ　９５５．１　ＭＰａ　１　１３８．９　ＭＰａ　１　１３９．８　ＭＰａ　４．１．２锚筋可变形长度对锚筋应力影响　锚筋应力过大主　要是因为可变形长度不够，只有３７．５　ｃｒｎ。参照以往经验＿２＿　，　增加锚筋的可变形长度可解决锚筋应力过大问题。为此，对锚　筋的可变形长度分别取１００　ｃｒｎ及１５０　ｃｎ】进行计算。　在锚筋的可变形长度取１００　ｃｍ时，按正常蓄水位（即工　况１４）运行，锚筋的应力超过允许值的约占全部锚筋的３８　，　锚筋最大应力５２５．５　ＭＰａ；按设计洪水位双孔泄水（即工况　１５）及单孔泄水（即工况１６）、校核洪水位双孔泄水（即工况　１７）及单孔泄水（即工况１８）运行，超过允许值的锚筋分别约　占全部锚筋的７２　、５０　、７８　、５６％，其锚筋最大应力分别　为６８５．３　ＭＰａ、６５１．５　ＭＰａ、８３９．５　ＭＰａ、７８３．５　ＭＰａ。　在锚筋的可变形长度取１５０　ｃｍ［１￣，按正常蓄水位（即工况　１９）运行，锚筋的应力超过允许值的约占全部锚筋的３３　，锚　筋最大应力４２５．７　ＭＰａ；按设计洪水位双孔泄水（即工况２０）　及单孔泄水（即工况２１）、校核洪水位双孔泄水（即工况２２）及　｜　。｜南　永　丸　讽　．４９．　维普资讯 http://www.cqvip.com 第５卷总第３３期・南水北调与水利科技・２００７年第６期　单孔泄水（即工况２３）运行，超过允许值的锚筋分别约占全部　锚筋的７２　、４４　、７８　、５Ｏ　，其锚筋最大应力分别为５８３．５　ＭＰａ、５３０．５　ＭＰａ、７１６．９　ＭＰａ、６３９．３　ＭＪ）ａ。　４．３混凝土竖直向应力（　）　４．３．１加高完成时的竖直向应力　假定加高施工阶段，新　堰体与边墩黏接完好。除了在边墩内侧面老溢流堰堰顶上游　上述比较结果表明：当锚筋可变形长度取１００　ｃｍ、　１５０　ｃｍ时，各工况锚筋应力有所降低，但仍然有较大范围的锚　筋超过设计允许值，甚至超过钢筋的屈服强度。由此看来，仅　靠钢筋很难限制闸墩向外变形。　极小区域为拉应力外，其它部位都是压应力。图４为１３８　ｍ　高程边墩内侧面距墩头１３．５　ｍ处点应力过程线，图中加高进　程从０步即初始状态（上游１５４．５　ｍ水位＋老坝自重）开始，　分层浇筑，共８步浇完溢流堰加高部分，第９步浇完边墩以上　如果不能有效限制闸墩向外变形，一方面会使得结合面　张开度增加，另一方面会使得闸墩内侧面的竖向拉应力增加。　为此提出以下两种措施。（１）为了抑制闸墩向外变形（也即抑　制结合面张开），考虑把边墩１６２　ｍ高程以上加高部分与相邻　重力坝段加高部分连成整体，以约束边墩向外的位移。（２）采　取施工措施，在结合面张开最大的部位沿竖直向增加一排法　向约束，以抑制闸墩向外变形。计算结果表明，分别或同时采　取上述两种措施，效果同样显著，锚筋应力全部降到设计允许　值以下。　４．２结合面张开度　图３为工况１６结合面张开度示意图，可见，与边墩相比，　溢流堰与中墩的结合面张开度小得多，最大张开度发生溢流　面的上游端。　Ｚ　ｘ　巾墩结合　单位：ｍｉｌｌ　图３堰体与闸墩间接触张开度分布云图　各工况最大张开度见表２。可见，结合面张开度随锚筋　可变形长度的增加而增加。引起结合面张开的主要因素是泄　水运行时对边墩的水压力。在各不同运行工况中，以校核洪　水位双孔泄水运行时张开度最大。　表２溢流堰与边墩结合面最大张开度　ｎｊｎｊ　工况　１４　１５　１６　１７　１８　采取上述措施后，计算结果表明：措施（１）条件下，结合　面仍然张开，但最大张开度，约０．８７　ｍｍ；措施（２）条件下，最　大张开度约０．９９　ｍｍ；如果同时采取上述两种措施，对抑制结　合面张开有显著作用，最大张开度约０．３１　ｍｍ。　・５Ｏ・　南水北调　１６２～１７６．６　ｍ高程部分。由图４可见，分层浇筑液态混凝土　对边墩的侧向压力使闸墩产生的最大拉应力为０．２２　ＭＰａ；边　墩１６２　ｍ高程以上加高部分自重对该点产生的压应力为　０．４９　ＭＰａ。根据统计结果，边墩内侧面沿老溢流堰面这条线　的平均压应力０．３６　ＭＰａ。　０　３　０．２　０　１　：０　，．一　善　｝　２　３　４　５　６　７　８　＼　一０１　一　＼　一【）２　加高进程　＼　’『　｜　一【）３　图４点应力过程线　４．３．２运行阶段结合面不脱开状态的坚直向应力　假定新　堰体与边墩不脱开情况下边墩的竖直向应力，锚筋的可变形　长度为３７．５　ｃｍ。最大应力列于表３。　表３结合面不脱开状态最大竖直向应力　ＭＰａ　应力０．３７　２．１２　２．７５　２．６７　３．３２　３．２７　４．３．３运行阶段结合面脱开状态的竖直向应力　假定新堰　体与边墩发生脱开情况下边墩的竖直向应力，锚筋的可变形　长度为３７．５　ｃｍ。最大应力列于表４。　表４结合面脱开状态最大竖直向应力　Ｍ　ａ　４．３．４锚筋可变形长度对竖直向应力的影响　改变锚筋的　可变形长度，也会影响到闸墩的应力。锚筋的可变形长度取　】５０　ｃｍ时边墩最大应力列于表５，并与可变形长度取３７．５　ｃｍ各相应运行工况的边墩应力进行比较。　表５结合面脱开状态最大竖直向应力　ＭＰａ　应力　３．９４　５．８９　５．Ｏ１　７．３８　６．１２　（下转第６５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 张文明等・基于ＡＳＰ．ＮＥＴ与ｗｅｂ　ＧＩＳ的城市水资源管理决策支持系统开发及应用　实际工作的特点和流程；在技术上采用高起点，先进的　卡智　能水表系统、信息采集系统、通信网络系统和数据库系统的运　用，保障信息采集安全可靠，传输快速、顺畅，存储查询方便、快　捷；软件系统开发使用最新的ＡＳＰ．ＮＥＴ和ｗｅｂ　ＧＩＳ技术，使　系统运行稳定可靠、信息交互安全高效、系统维护更加便捷、　ＧＩＳ查询无处不在。系统以自动监测的各类水资源信息为基　础，同时耦合和挖掘了其它行业和部门的多元相关信息，不仅　对获取信息进行整理、查询，同时还提供对分析、评价、预测、配　置和决策支持等功能，其功能基本涵盖了水资源管理的各个方　面。该系统的成功开发将使连云港市水资源的业务和管理水　平达到一个新的高度，也将对该地区水利工作的产生积极的促　进作用，对于各地类似系统开发具有较好的借鉴意义。　图３地表水质监测断点管理页面　Ｆｉｇ　３　Ｔｈｅ　ＤａＲｅ　ｏｆｎ１ａｎ　ｍ∞ｔ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｔａｔｉｏｎｓ　参考文献：　［１］　尚彩霞，李会安．水资源管理决策支持系统开发与应用［Ｊ］．河南　连云港市水资源管理决策支持系统已经成功投入运行，　使用后大幅度提高了连云港市水资源管理的科学水平，具体　体现在：地表水水量分配由原来的人工分配变为适时分配，　师范大学学报（自然科学版），１９９８，２６（２）：７８—８１．　［２］张文明，董增川，王德智，等．基于Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｉｃｅ的城市水资源决　策支持系统开发及应用［Ｊ］．水力发电，２００７，３３（７）：１３—１５．　［３］　曾宪波．水资源管理决策支持系统总体构想［Ｊ］．人民珠江，　２００２，（４）：５８—６０．　提高了水资源的分配效率和合理性；系统的地下水水位预警　功能，使决策者及时掌握地下水开采状况，实现地下水的动态　管理；及时掌握地表水、地下水水量水质信息，为制定和执行　合理的水资源管理方案，包括预警方案提供了技术支持；系统　强大信息的管理功能加速了连云港市水资源管理信息化、现　代化的进程。　［４］叶明全，伍长荣．基于ＡＳＰ．ＮＥＴ和ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｉｃｅ技术的应用程　序开发［Ｊ］．福建电脑，２００３（１１）：４２—４３．　ｆ５］吴倩，曹建文，魏莹．基于Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ．ＮＥＴ平台的ＡＳ确Ｐ．　ＮＥＴ技术［Ｊ］．中国科技信息，２００６，２６：１４４—１４５．　［６］黄素芬，郭建波，李国金，等．基于ＡＳＰ．ＮＥＴ的缴费查询服务系　统设计与实现［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报，２００４，２３（５）：６７０—　６７２．　７结语　随着水利现代化的发展，水资源管理决策支持系统在水资　源管理中已扮演越来越重要的角色。连云港市水资源管理决　［７］罗云启，曾琨，罗毅．数字化地理信息系统建设与Ｍａｐｌｎｆｏ　高级应用［Ｍ］．北京：希望电子出版社，２００１．　策支持系统在系统功能设计中充分反映了水资源管理和决策　一＋“＋”＋“＋”＋一＋“＋”＋ｎ　（上接第５Ｏ页）　上述结果表明：运行阶段结合面脱开状态的竖直向应力艮比　不脱开状态的　大许多，同时，锚筋可变形长度增加，虽然可　以降低锚筋应力，但闸墩向外变形增大，结合面的张开度增　加，闸墩内侧的竖向拉应力也随着增加，故锚筋的可变形长度　边墩１６２　ｍ高程以上加高部分与旁边重力坝段加高部分连成　整体，或在结合面张开最大的部位沿竖直向增加一排约束，均　可有效减小混凝土竖直向应力，且对抑制结合面张开亦有较　大作用。　取１００　ｃｍ即可。上述结果是在假定钢筋单元为完全弹性体　的条件下计算得出，实际上在锚筋屈服以后，锚筋并不能限制　参考文献：　［１］程子兵，李利．南水北调中线水源工程丹江口大坝加高枢纽工　闸墩向外变形，结合面的张开度会继续增加，内侧面　的最　大拉应力还会超过上述值。因此，采取其他措施限制闸墩向　外变形是必要的。如果同时采取前文所述两种措施，计算结　程表孔体型优化断面模型试验报告Ｉ－Ｒ］．武汉：长江科学院，　２００２．　果表明，对抑制结合面张开、减小内侧面　的拉应力效果显　著，最大拉应力只有１．１６　ＭＰａ。　［２］徐跃之，林绍忠．三峡船闸第三闸首温度应力及缝面接触问题三　维非线性仿真计算［Ｒ］．武汉：长江科学院，１９９７．　［３］徐跃之，陈琴．三峡永久船闸（全衬式）衬砌墙锚杆和岩体相互　５结论　作用仿真计算［ＲＪ．武汉：长江科学院，１９９７．　综上所述：锚筋的可变形无黏接长度以１００　ｃｍ为宜；将　。　目　数字水利　・６５・