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混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构型式研究

刘静 陆希 党发宁

刘静,陆希,党发宁. 混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构型式研究[J]. 水利水运工程学报,2022(2):92-100. doi:  10.12170/20210318001
引用本文: 刘静,陆希,党发宁. 混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构型式研究[J]. 水利水运工程学报,2022(2):92-100. doi:  10.12170/20210318001
(LIU Jing, LU Xi, DANG Faning. Study on compound structure of concrete gravity dam-face rockfill dam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(2): 92-100. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210318001
Citation: (LIU Jing, LU Xi, DANG Faning. Study on compound structure of concrete gravity dam-face rockfill dam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(2): 92-100. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210318001

混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构型式研究

doi: 10.12170/20210318001
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0404805)
详细信息
    作者简介:

    刘 静(1987—),女,陕西西安人,高级工程师,硕士,主要从事水工结构、岩土工程的设计与研究工作。E-mail:liujing@nwh.cn

  • 中图分类号: TV641

Study on compound structure of concrete gravity dam-face rockfill dam

  • 摘要: 针对目前特高面板堆石坝存在的面板挠曲变形大、面板缝易拉开、底部面板不能检修等突出问题,提出了一种适用于特高面板堆石坝的新型坝体结构型式——混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构。重点分析了施工期、蓄水期及蓄水期发生地震时,新型复式结构混凝土重力坝的高度、上下游坡比、趾板布置等体型参数变化对大坝结构应力变形及面板挠度等指标的影响,为新型结构型式体型的选择提供参考。优选的新型复式结构型式与常规堆石坝结构的计算结果对比分析表明,复式结构除周边缝张开变位及施工期面板应力大于常规面板坝外,其他指标均占据优势,且周边缝张开变位完全在相应规范及止水结构允许变形范围内,并具有较高的安全裕度。新型挡水结构可缩短混凝土面板长度,改善面板受力状态,减少面板挠曲变形,并有效提升面板堆石坝坝踵及趾板部位的可维修性。
  • 图  1  传统与新型面板堆石坝剖面示意

    Figure  1.  Traditional and new concrete face rockfill dam profiles

    图  2  复式结构混凝土重力坝体型(单位:m)

    Figure  2.  Complex structure concrete gravity dam type (unit: m)

    图  3  坝踵、坝趾应力随上游坡比的变化

    Figure  3.  Change curve of dam heel and toe stress with upstream slope ratio

    图  4  坝基抗滑安全系数随上游坡比的变化

    Figure  4.  Curve of the sliding safety coefficient of the dam foundation with upstream slope ratio

    图  5  有限元分析模型

    Figure  5.  Finite element analysis model

    图  6  混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构

    Figure  6.  Compound water-retaining structure of concrete gravity dam-face rockfill dam

    表  1  主要材料静力计算参数

    Table  1.   Static calculation parameters of main materials

    材料名称ρ/(g·cm−3)φ0ΔφknRfkurkbm
    垫层区 2.31 49.3 5.9 920.2 0.29 0.67 1 840 497.6 0.31
    主堆石区 2.27 50.1 6.3 1 294.1 0.32 0.74 2 588 545.9 0.26
    上游堆石区 2.22 53.2 9.0 1 104.4 0.22 0.65 2 209 547.3 0.08
    下游堆石区 2.20 48.5 6.2 704.6 0.35 0.69 1 409 292.6 0.25
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    表  2  主要材料动力计算参数

    Table  2.   Dynamic calculation parameters of main materials

    材料名称nk1k2νλC1 /%C2C3C4 /%C5
    垫层区 0.347 23.5 2 084 0.330 0.21 0.33 0.62 0 7.90 0.86
    主堆石区 0.330 27.4 2 503 0.330 0.19 0.43 0.70 0 5.75 0.82
    上游堆石区 0.304 25.1 2 208 0.330 0.20 0.79 0.83 0 7.38 0.96
    下游堆石区 0.341 26.3 1 550 0.330 0.23 0.83 0.90 0 8.99 0.97
    面板、趾板 0 0 85 900 0.167 5.00 0 0 0 0 0
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    表  3  不同混凝土坝坝高的混凝土坝体位移及应力

    Table  3.   Concrete dam body displacement and stress results of different concrete dam heights


    坝高/m
    竣工期蓄水期-静力蓄水期-动力
    最大位移
    /cm
    主压/拉应力极值
    /MPa
    最大位移
    /cm
    主压/拉应力极值
    /MPa
    最大位移
    /cm
    主压/拉应力极值
    /MPa
    竖向顺河向坝体建基面竖向顺河向坝体建基面竖向顺河向坝体建基面
    40 3.4 0.6 3.56/0.19 3.16/1.14 4.1 3.3 4.79/0.32 4.16/0.52 4.2 4.0 5.40/0.04 4.51/0.17
    80 4.1 0.7 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 5.3 6.2 6.20/0.06 5.57/0.58
    120 5.2 0.8 6.12/0.31 4.15/2.73 6.1 5.1 5.66/0.54 5.45/2.13 6.1 8.0 6.40/0.17 5.85/1.01
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    表  4  不同混凝土坝坝高的堆石体位移

    Table  4.   Comparison table of rockfill displacement results with different concrete dam heights

    坝高/
    m
    竣工期蓄水期-静力蓄水期-动力
    沉降/
    cm
    顺河向位移/cm沉降/
    cm
    面板挠度/
    cm
    顺河向位移/cm残余变形-
    沉降/cm
    面板挠度/
    cm
    残余变形-顺河位移/cm
    向上游向下游向上游向下游向上游向下游
    40 101 10.6 49.4 107.5 48.24 4.2 55.5 53.6 89.12 0.4 30.4
    80 99.2 10.3 49.6 105.3 44.67 5.9 54.9 51.8 84.66 0.2 30.0
    120 98.3 9.7 49.8 104.6 41.73 6.4 54.5 49.7 80.87 0.3 29.3
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    表  5  不同混凝土坝上游坡比下的堆石体位移

    Table  5.   Displacement results of rockfill body under different concrete dam upstream slope ratios

    上游
    坡比
    竣工期蓄水期-静力蓄水期-动力
    沉降/
    cm
    顺河向位移/cm沉降/
    cm
    面板挠度/
    cm
    顺河向位移/cm残余变形-
    沉降/cm
    面板挠度/
    cm
    残余变形-顺河向位移/cm
    向上游向下游向上游向下游向上游向下游
    1∶0.1 99.2 10.3 49.7 105.3 44.69 5.8 55.0 51.5 84.60 0.2 29.7
    1∶0.2 99.2 10.3 49.6 105.3 44.67 5.9 54.9 51.8 84.66 0.2 30.0
    1∶0.3 99.2 10.3 49.6 105.4 44.61 6.0 54.9 52.2 84.96 0.3 30.4
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    表  6  不同混凝土坝上游坡比下的混凝土坝体位移及应力

    Table  6.   Displacement and stress results of concrete dam with different upstream slope ratios

    上游坡比竣工期蓄水期-静力蓄水期-动力
    最大位移/cm主压/拉应力极值/MPa最大位移/cm主压/拉应力极值/MPa最大位移/cm主压/拉应力极值/MPa
    竖向顺河向坝体建基面竖向顺河向坝体建基面竖向顺河向坝体建基面
    1∶0.1 4.0 0.9 6.23/0.23 3.78/2.68 5.1 5.8 5.94/0.42 5.26/1.08 5.2 7.0 6.82/−0.04 5.56/0.40
    1∶0.2 4.1 0.7 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 5.3 6.2 6.20/0.06 5.57/0.58
    1∶0.3 4.2 0.6 4.22/0.23 3.73/2.59 5.3 5.1 5.43/0.34 5.34/1.1 5.3 5.9 6.47/0.13 5.55/0.71
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    表  7  不同混凝土坝上游坡比下的周边缝位移

    Table  7.   Displacement of perimetric joints under different concrete dam upstream slope ratios

    上游坡比蓄水期-静力/mm蓄水期-动力/mm
    张开沉陷张开沉陷
    1∶0.1 1.87 0.84 2.02 0.87
    1∶0.2 1.27 1.28 1.41 1.37
    1∶0.3 1.03 1.59 1.16 1.77
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    表  8  不同混凝土坝下游坡比下的堆石体位移

    Table  8.   Displacement results of rockfill bodies under different downstream slope ratios of concrete dam

    下游
    坡比
    竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力
    沉降/
    cm
    顺河向位移/cm 沉降/
    cm
    面板挠度/
    cm
    顺河向位移/cm 残余变形-
    沉降/cm
    面板挠度/
    cm
    残余变形-顺河向位移/cm
    向上游向下游向上游向下游向上游向下游
    1∶0.6 99.2 10.6 49.6 105.4 44.62 6.2 54.8 51.6 84.29 0.3 29.7
    1∶0.7 99.2 10.3 49.6 105.3 44.67 5.9 54.9 51.8 84.66 0.2 30.0
    1∶0.8 99.2 10.1 49.7 105.3 46.62 5.6 54.9 52.7 84.49 0.3 30.2
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    表  9  不同混凝土坝下游坡比下的混凝土坝体位移及应力

    Table  9.   Displacement and stress results of concrete dam under different downstream slope ratios

    下游坡比竣工期蓄水期-静力蓄水期-动力
    最大位移/cm主压/拉应力极值/MPa最大位移/cm主压/拉应力极值/MPa最大位移/m主压/拉应力极值/MPa
    竖向顺河向坝体建基面竖向顺河向坝体建基面竖向顺河向坝体建基面
    1∶0.6 4.3 0.8 4.98/0.23 3.66/2.68 5.1 5.8 5.94/0.29 6.0/0.89 5.2 7.0 6.82/−0.08 6.3/0.3
    1∶0.7 4.1 0.7 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 5.3 6.2 6.2/0.06 5.57/0.58
    1∶0.8 4.0 0.6 4.97/0.23 3.46/2.59 5.3 5.1 5.43/0.45 5.2/1.20 5.4 6.0 6.47/0.15 5.39/0.71
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    表  10  不同混凝土坝下游坡比下的周边缝位移

    Table  10.   Displacement of perimetric joints under different downstream slope ratios of concrete dam

    下游坡比蓄水期-静力/mm 蓄水期-动力/mm
    张开沉陷 张开沉陷
    1∶0.6 1.59 0.86 1.74 0.81
    1∶0.7 1.27 1.28 1.41 1.37
    1∶0.8 1.01 1.51 1.08 1.79
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    表  11  不同趾板位置堆石坝位移及应力

    Table  11.   Rockfill dam displacement and stress results at different toe plates

    方案竣工期蓄水期-静力
    沉降/
    cm
    挠度/
    cm
    顺河向位移/cm主应力/
    MPa
    沉降/
    cm
    挠度/
    cm
    顺河向位移/cm主应力/
    MPa
    周边缝/mm
    向上游向下游向上游向下游张开沉陷
    方案a 99.2 3.18 10.3 49.6 2.78 105.3 44.67 5.9 54.9 4.03 1.27 1.28
    方案b 99.1 3.19 10.4 49.6 2.77 105.2 44.68 5.9 54.9 4.02 3.78 2.01
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    表  12  不同趾板位置混凝土坝坝体位移及应力

    Table  12.   Displacement and stress results of concrete dam at different toe plates

    方案竣工期蓄水期-静力
    沉降/
    cm
    顺河向位移/
    cm
    应力/MPa沉降/
    cm
    顺河向位移/
    cm
    应力/MPa
    水平垂直水平垂直
    方案a 4.10 0.70 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10
    方案b 4.09 0.73 4.47/0.29 3.26/2.71 5.17 5.8 4.83/0.47 5.01/1.22
      注:“/”前为最大值,后为最小值。
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    表  13  复式结构与常规结构的堆石坝位移及应力对比

    Table  13.   Comparison of rockfill dam displacement and stress with compound structure and conventional structure

    坝型竣工期蓄水期-静力
    沉降/
    cm
    挠度/
    cm
    顺河向位移/cm主应力/
    MPa
    沉降/
    cm
    挠度/
    cm
    顺河向位移/cm主应力/
    MPa
    周边缝/mm
    向上游向下游向上游向下游张开沉陷
    常规 99.6 3.75 12.01 50.28 2.93 105.88 49.26 8.81 55.59 4.31 1.75
    0.78
    复式 99.2 3.18 10.30 49.60 2.78 105.3 44.67 5.9 54.9 4.03 1.27 1.28
    增减幅度/% −0.40 −17.92 −16.60 −1.37 −5.40 −0.55 −10.28 −49.32 −1.25 −6.95 −37.80 39.06
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-18
  • 录用日期:  2021-11-13
  • 网络出版日期:  2022-03-05
  • 刊出日期:  2022-04-15

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