Hardfill坝结构安全性分析.pdfVIP

第五届碾压混凝土坝国际研讨会 Hardfill坝结构安全性分析1 彭云枫何蕴龙熊望 (武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072 摘要：Hardfill坝是一种新坝型(该坝型在日本被称为CSG坝)，其基本剖面为对称梯形，上 游设混凝土防渗面板。从结构稳定的角度看，采用对称梯形剖面的Hardfill坝是一种安全稳 定性较高的坝型。目前针对Hardfill坝结构安全性以及防渗面板的工作性态和安全性方面的 研究工作尚不够深入，有必要对这一问题开展更进一步的分析和研究。本文运用三维有限元 数值模拟方法，对Hardfill坝的面板和坝体结构的进行分析。分析坝体和面板在各种工况下 的工作性态及其应力和变形规律，并在此基础上进一步分析Hardfill坝的结构安全性能。采 用接触单元模拟面板和坝体间的接触关系。在工程常见的范围内变化坝坡和地基刚度，考察 不同坝坡和不同地基刚度对Hardfill坝工作性态及其安全性的影响规律。通过与面板坝和重 力坝的比较分析，研究Hardfill坝坝体、防渗面板的应力和变形的特征和规律，综合分析大 坝安全性能。研究结果表明，Hardfill坝的安全性相比于面板坝和重力坝有很大的提高，是 一种高安全性的坝型。 关键词：Hardfill坝；有限元分析；结构特性：安全性 1前言 Hardfill坝是近年来出现的一种新坝型，这种新坝型的基本剖面是上下游坝坡对称的梯 形，上游坝面设置面板或其他防渗设施，筑坝材料为价格低廉的低强度胶结砂石料 ——Hard矗ll。这种坝具有高安全性、高抗震性和对地基条件要求低的优点，而且施工简便、 提出的，自20世纪90年代起，日本的工程技术人员投入大量精力，开发了具有其自身特点 的Hardfill坝技术，他们称之为CSG(Cemented SandGravel)dHJq．[3】[4】。 从结构稳定的角度看，采用对称梯形剖面的Hardfill坝是一种安全性较高的坝型。传统重 力坝的基本体型是上游面铅直的三角形，其安全的控制性因素是抗滑稳定，提高重力坝的安 全性就需要增大其体积；而从经济的角度看，体积的增大意味着成本的增加，这是互相矛盾 的。三角形的体型造成重力坝在坝踵(坝趾)处有比较大的应力，而且坝踵会产生拉应力，这 也是重力坝安全的不利因素。Hardfill坝的剖面比重力坝约大了一倍，在抗滑稳定和抗倾覆稳 不会产生拉应力。Hardfill坝的溢洪道可以设置在坝身，允许坝顶过流，这一特点使得它的安 全性比土石坝高得多。另外由于Hardfill材料的变形模量比堆石体大的多，面板所预料的各 种变形要小得多，面板的安全性大大提高。 1国家自然科学基金资助项目(项目批准 第五届碾压混凝土坝国际研讨会 目前针对Hardfill坝结构安全性以及防渗面板的工作性态和安全性方面的研究工作尚不 够深入，本文运用三维有限元【51数值模拟方法，对Hardfill坝的面板和坝体结构的进行分析， 探讨Hardfill坝的结构特点及其安全性。 2 Hardfill坝的特征 Hardfi!!材料是将胶凝材料和水添加到河床砂砾石和开挖废弃料等容易在坝址附近获得 的岩石材料中，然后用简易的设备进行拌合振捣碾压而得到的二种低强度筑坝材料，是一种 放宽要求的贫碾压混凝土，所以它具有与碾压混凝土类似的性质。根据材料试验f41，典型的 图1 典型的Hardfill应力一应变关系曲线 图2 Hardfill坝示意图 反映Hardfill坝基本特征的断面示意图见图2。坝体断面为上下游对称或基本对称的梯形， 体形介于重力坝和面板堆石坝之间，上下游坝坡可根据具体工程的坝基条件、坝高以及筑坝 材料的强度等因素来确定，一般在1：O．5～l：0．8之间。坝体防渗按面板堆石坝方式来解决，即 由上游防渗面板来承担。溢洪道可布置在坝身，施工期允许坝身过水。 3有限元分析 3．1有限元计算模型 建立Hardfill坝的三维有限元模型如图3所示 (不考虑溢流坝段)j坝高70m，库水深为坝高的90 ％，下游无水，上、下游坡度均为1：0．7，坝顶宽 8m，面板厚度