第16卷第1期2010年1月
水利科技与经济
W ater Conservancy Science and Technol ogy and Economy
Vol 116 No 11
Jan 1,2010
[收稿日期] 2009-06-15[作者简介] 姬栋宇(1981-)，男，河南濮阳人，助教，博士研究生，主要从事工程结构数值仿真研究工作1
姬栋宇
1,2
(11郑州大学土木工程学院，郑州 450002;21湖南城建职业技术学院土木工程系，湖南湘潭 411101)[摘 要] 对门坎哨水库混凝土单曲拱坝进行了有限元分析，计算出了拱坝在正常运行阶段的 最大应力和变形。并对计算结果进行了分析说明，为混凝土单曲拱坝的设计、施工提供了一定的参考价值。[关键词] 门坎哨水库；单曲拱坝；有限元法；环向应力
[中图分类号] T V64214 [文献标识码] B [文章编号] 1006-7175(2010)01-0012-02
1 工程概况
门坎哨水库位于辽宁省宽甸县鸭绿江蒲石河支流，坝址以上控制流域面积198k m 2，水库总库容
126×104m 3
。枢纽工程由大坝、引水隧洞、压力管道、厂房等建筑物组成。大坝为定圆心定外半径的混凝土单曲拱坝，最大坝高2012m，坝底厚度111m，厚高比0108。大坝正常蓄水位1416m，设计水位1712m，校核洪水位19m 。 2 计算模型
门坎哨水库坝址为梯形河谷，在河谷两岸设重力墩，大坝地基为坚硬肉红细粒花岗岩，两岸为弱风化花岗岩，河床为微风化花岗岩。岩石弹性模量E 1=22GPa，泊松比μ1=0128。混凝土拱坝采用的混凝土强度等级为
C25，弹性模量E 2=28GPa，泊松比μ2=01167[1]
，容重γ
=24k N /m 3
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。拖把杆
混凝土拱坝和基岩结构模型采用8节点等参块体单元。该单元应用于实体结构的三维模型中，具有塑性，蠕变，膨胀，应力刚化，大变形和大应变的特性，单元具有8个节点，每个节点具有3个平动自由度[2]。
考虑到拱坝结构在运行过程中的受力特点[3]，主要考虑了以下3种计算工况：工况1，正常蓄水位+自重；工况2，设计水位+尾水位+自重；工况3，校核洪水位+尾水位+自重。 3 计算结果分析
僧侣鞋工况1下拱坝的最大环向拉应力为0183MPa，出现在拱坝坝肩与左岸岩体交界处，最大环向压应力为-2150MPa，出现在拱坝拱冠中部。最大竖向拉应力为3171MPa，出现在拱坝坝底与基岩交界处，最大竖向压应力为-4143M Pa，出现在拱坝拱冠中部。
工况2下拱坝的最大环向拉应力为1112MPa，最大环向压应力为-3148MPa 。最大竖向拉应力为5121MPa，最
大竖向压应力为-5175MPa 。各方向最大应力值出现位
置与工况1基本相同。
工况3下拱坝的最大环向拉应力为1132MPa，最大环向压应力为-4117MPa 。最大竖向拉应力为6126MPa，最大竖向压应力为-6166MPa 。各方向最大应力值出现位置与工况1基本相同。
在工况2下拱坝环向应力、竖向应力、第一主应力及第三主应力等值线图见图1～图4。从图1～图4可以看出，整个拱坝中部应力分布较为均匀，但是在拱坝坝肩处以及拱坝坝底与基岩交界处的应力值较大。这主要是此处的应力集中所引起的。这些较大的拉应力值可以通过有限元等效应力法加以降低[4]
。
工况1下拱坝的最大径向位移为3140mm，出现在拱
坝拱冠中部。拱坝的最大竖向位移为1155mm，出现在拱坝左坝肩顶部。工况2下拱坝的最大径向位移为5102mm，拱坝的最大竖向位移为1157mm 。工况3下拱坝的最大径向位移为6125mm，拱坝的最大竖向位移为
—
21—
姬栋宇：混凝土单曲拱坝三维有限元分析第1期
1166mm 。工况2、3最大位移出现位置与工况1基本相
同。
在工况2下拱坝径向位移和竖向位移等值线图见图5～图6
所示。
图5工况2下拱坝径向位移等值线图
(Pa )
图6工况2下拱坝竖向位移等值线图(Pa )
从图5～图6可以看出，拱坝的最大径向位移主要出现在拱坝中部，最大竖向位移主要出现在坝肩的顶部。但拱坝的径向位移要比竖向位移大，这主要是由水压力引起的，而水压对拱坝竖向位移影响不大。
4 结 语
分析结果表明，门坎哨水库在正常运行阶段整体应
力值不大，能够满足强度要求。而主要由水压所产生的
径向位移也较小，符合要求。
[参考文献]
[1]S L /T191-96，水工混凝土结构设计规范[S].[2]王勖成，邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法:
第二版[M ].北京：清华大学出版社,19971[3]S L282-2003，混凝土拱坝设计规范[S].
[4]朱伯芳，高季章，陈祖煜，等.拱坝设计与研究[M ].
热熔胶捏合机
北京：中国水利水电出版社,20021
(责任编辑：赫晓彦)
(上接第9页)
表4 非稳定渗流计算成果表
流态分类
上游水位/m
下游水位黄大飞
/m
坝体内部渗透比降
J 下游出逸点高度
/m 下游坡出逸段渗透比降
J 下游坝基段渗透比降
J 心墙出逸段渗透比降
J 单宽渗漏流量
/
m 3・(d ・m )
-1
非稳定渗流
射击标靶17415→16413无水0102～0131117011～0145013～016017～212013116413→15910无水0102～0112165011～0137012～016017～214011715910→15115无水
0102～011
0176
011～0133
011～016
017～215
01082
4 结 论
本文采用有限元数值模拟方法，研究分析了正常运
行工况及非正常运行工况时，中洞水库大坝的渗流稳定问题，结果表明：大坝在正常运行时，坝内的浸润线逸出点相对较高，不利于水库安全；坝基、坝坡渗透坡降也相对过大，对大坝稳定不利；而水库单宽渗透流量相对较大，减少了水库的兴利库容。当土石坝在水位降落时，由于库水位骤降速率相对较慢时，坝内浸润线相对较低，其上游坝坡渗透是稳定，但在相对水位降落较快时期，浸润线相对过高，对坝体稳定不利。综合研究分析可知，中洞水库大坝存在着安全隐患。
[参考文献]
[1]汪恕城1试论中国水电发展趋势[J ]1水力发电学
报,1999,6(10):1-21[2]Joseph Fiksel 1R isk Analysis in the 990s[J ]1R isk Anal 2
ysis,1990,10(2):195-1961[3]侯俊平，郭 炜1有限元计算方法在大坝渗流分析
中的应用[J ]1武汉大学学报(工学版),2005,38
(5)163-661
[4]娄一清，丁 丽，何鲜峰1浙江某水库大坝渗流安全
综合分析[J ]1灾害学,2008,23(1):32-361[5]S L258-2000,1水库大坝安全评价导则[S]1
(责任编辑：赫晓彦)
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