CSG坝渐进破坏过程分析_杨令强.pdf

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1、文章编号:100722284(2009)0620145203CSG坝渐进破坏过程分析杨令强1,韩 勇2,陈祖坪3(1.济南大学土木建筑学院,济南250022;2.日照水库管理局,山东 日照276800;3.首钢工学院,北京100041)摘 要:CSG材料是一种新型筑坝材料,目前在国内外中、小型坝和围堰中开始采用。对CSG坝常用的等腰梯形断面按平面应变问题进行了有限元计算和破坏过程分析,把CSG材料看作连续材料,采用俞茂宏双剪准则作为CSG材料的强度准则函数,计算结果表明,等腰梯形断面受力合理,坝体和地基都不会出现拉应力,同时采用破坏追踪的方法对破坏过程进行了分析,结果表明坝体的破坏过程是沿下游

2、坝坡出现类似于散粒体边坡的滑弧。关键词:CSG坝;渐进破坏;坝体断面;破坏追踪 中图分类号:TV41 文献标识码:A收稿日期:2008212212基金项目:山东省博士基金(2008BS9025)。作者简介:杨令强(19722),男,博士,副教授。0 引 言CSG(Cemented Sand and Gravel)是1976年J.M.拉斐尔提出的一种新材料,它是将胶凝材料和水添加到河床砂砾石或开挖废弃料这些在坝址附近容易找到的岩石基材中,然后采用简单的拌合装置拌合而得到,这样砂石料就由散粒体变为连续体,CSG材料的性能介于堆石坝材料和混凝土性能之间,较堆石坝材料具有更好的强度和抗冲刷、溢流能力,

3、但与混凝土相比其强度、一致性和抗渗性能要差1。与堆石坝比较,采用CSG技术修建的大坝边坡更陡,具有更强的抗漫顶溢流能力。CSG技术具有就地取材、充分利用当地材料和常规施工设备、缩短建设工期、降低工程造价的优点。该技术问世时间不长,目前多用于修建围堰、拦沙坝等小型临时建筑2。CSG坝常用的断面形式为等腰梯形3,4,本文按照平面应变问题,对该断面形式进行了有限元计算,分析坝体的应力和应变情况,并利用破坏追踪的方法对破坏过程进行了分析。1 渐进破坏的概念按照连续体力学的概念,坝体的破坏就是无限个不连续点的集合,然而用有限元法分析连续体力学问题,则坝体的破坏过程就应当是有限个不连续点的集合。坝体点的应

4、力状态是不同的,应力大的点总是先超过强度极限而破坏,因此坝体的破坏是渐进过程。首先按有限元法分析坝体的效应场、功能函数场或可靠度指标场,记录可靠度指标的最小值及相应的失效概率,然后指定可靠度指标最小单元破坏,原来该单元承担的应力将转化到其他未破坏的单元上,应力发生重新分布,因此重新计算与该单元有关的刚度矩阵,组装总刚,再次计算坝体的效应场、功能函数场和可靠度指标场,再次记录可靠度指标的最小值及相应的失效概率和条件概率,再次指定条件可靠度指标最小单元破坏,诸点进行下去,直到破坏m个单元后坝体破坏成为机构,或发生过大变形影响正常的使用,这m个破坏单元的几何位置就构成了坝体的破坏轨迹,这m个条件概率

5、的数值就构成了描述坝体破坏的概率向量5Pf=pf1pf2pfm(1)上式概率向量中的第k个分量为pf k=ki=1pf0i(2)当k=1时为坝体初始破坏的概率;k=m为坝体破坏的概率;k=i(1 im)为开裂破坏程度为i的概率,如果将坝体的破坏视为一个并联体系,则这个轨迹是并联系统中最易出现的一条。2 破坏概率的求解2.1 单元失效概率的求解单元失效概率的求解采用离散化降维解法6,设结构的失效概率Pf=P(Z 0),Z为结构的功能函数,简记为Z=g(),x1,x2,xm为基本变量,如果它们相互独立,则:pf=fx1(x1)fx2fxm(xm)dx1dx2dxm=g()0fx1fx2(x2)fx

6、m(xm)dx2dxmdx1式中:fx1(x1),fx2(x2),fxm(xm)为随机变量x1,x2,xm的概率密度函数。离散化降维解法求可靠指标的要点是:将基本变量xi离散为定值量xik(k=1,2,m),将xik代541中国农村水利水电 2009年第6期入极限状态方程g(),得到降维的方程g=(x1k,X2,Xm),据此可求解条件可靠指标x1k,通过变换x1k=-1 Fx1(x1k)(4)x2k=-11-(x1k)=-x1k(5)将x1 x1k曲线映射于标准正态坐标系(x1ox2)上,此曲线可视为二维极限状态曲线。x1为荷载,x2可视为广义抗力,代表除x1外所有其他基本变量对功能函数的综合

7、影响。如果离散化变量为抗力,可取之为x2k,计算条件可靠指标x2k,取x1=x2k为广义荷载。此曲线到标准坐标系原点的最小距离,即是可靠指标:=min 2x1k+-1 Fx1(x1k)21/2(6)递推下去,可得多重降维求解可靠指标。2.2 单元破坏的条件概率求解坝体渐进破坏判断依据的实质是“条件概率”,这里的“条件概率”是指在第1、2、i-1个单元失效的条件下,第i个单元失效的概率。此时,相应与第i个失效单元失效概率(条件概率)的可靠指标实为某种广义可靠度指标。为此,提出“条件可靠度指标”其表达式为7:c=-1 P(gi0i-1k=1gk0)(7)式中:g1、g2、gi为i个单元的功能函数,

8、P(gi 0i-1k=1gk 0),单元的可靠度指标是1.899,对应的失效概率是2.878%,但它是全域中最小的,只好让它先被强制破坏,但坝仍然是安全的。第一个破坏的单元退出了,第二个即将破坏的单元的准则指标更大(没有第一个单元参与,重新分析下来最小的Z=0.826 9),按理说,它更不可能破坏,但它是应力场重分布之后,其准则指标是全域中最小的,只好让它被强制破坏,第四个被强制破坏的单元破坏之后,第五个要破坏的单元就自身不保了。同理,第14、第40个破坏的单元都是其前一个(第13、第39)单元被强制破坏之后而必然自身不保的破坏单元。此外,从这个图上又可以看出,强制破坏的 强制 是多么严重,绝

9、大多数的单元的准则指标接近于1,因此是相当安全的。图5 强制破坏单元准则函数的变化过程图6 强制破坏过程中可靠指标的变化过程有意义的是它们似乎构成了一个滑弧,但这并非是散粒体稳定分析的滑弧,而是依据强度破坏逐步发展的结果,到45个单元破坏 即出现那么一个 滑弧,其可能性是2.75610-53,属于不可能事件。尽管这是强制破坏的结果,但强制破坏的次序是完全遵从应力场的演变过程。因此,一旦坝很高而没有提高材料标号,或者坝不高而过多的降低材料指标,则会自动出现破坏,而破坏的过程在理论上就应当是一个 滑弧。4 结 语(1)CSG坝是一种值得推荐的新坝型,它具有比堆石坝更高的抵御洪水漫顶冲刷的能力和比重

10、力坝更强适应较软坝基的能力,可以说是汇集了堆石坝和混凝上坝在结构和施工上的特点,同时又避免了各自的一些不足,具有较高的稳定性和安全性,又符合快速、经济施工的要求。(2)等腰梯形CSG坝的应力分布特征、变形特性都非常适合CSG材料的特点,在坝体及地基中基本不出现拉应力。(3)CSG材料是一种连续体材料,可以用连续体力学的方法进行分析,但坝体的破坏又具有散粒体材料的特征,即坝体的破坏是逐渐出现一个滑弧。参考文献:1Toshio HIROSE.Design Concept of Trapezoid2Shaped CSG DamCProceedings of the 4th International

11、 Symposium on RollerCompacted Concrete Dams.2003.2 贾金生,马锋玲,李新宇,等.胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用J.水利学报,2006,37(5):578-582.3 王秀杰,何蕴龙.梯形断面CSG坝初探J.中国农村水利水电,2005,(8):105-107.4 杨首龙.CSG坝筑坝材料特性与抗荷载能力研究J.土木工程学报,2007,40(2):97-103.(下转第150页)741CSG坝渐进破坏过程分析 杨令强 韩 勇 陈祖坪所能达到的抗磨效果并不十分有效。最好的办法是清除或最大限度地减少过机水流中的泥沙含量。如新疆红山嘴水力发电厂二至五

12、级水电站,总装机容量57.05 MW,为无调节引水式水电站,引水渠全长22.4 km,共装设13台机组。由于大量的悬移质和推移质泥沙通过水轮机,使水轮机的过流部件,特别是转轮、底环、顶盖、导水叶磨损和气蚀现象十分严重,13台水轮机每年都要大修。为了解决泥沙问题,提高机组效率,延长大修周期,几十年来,电厂通过自己研究,摸索和与科研院所合作,在水轮机结构、部件改进、抗磨材料等多方面进行实践和应用。可以说,国内用于水轮机抗磨的各种措施和各种抗磨刚、柔性材料,几乎都应用过,但都没有达到预期效果。1997年改用了排沙漏斗新技术后,才得以彻底解决。该技术是新疆农业大学水利与土木工程学院周著教授等专家长期科

13、研攻关取得的成果,2001年获得国际科技进步二等奖,并取得国家发明专利。其基本方法就是在水电站引水渠首处或渠道沿线补建一座“排沙漏斗”(即漏斗状涡流排沙池),引进渠道的水流经其处理后,可基本上清除有害粒径泥沙,从而达到引水防沙和解决水轮机泥沙磨损问题,同时保证渠道不产生淤积、过流通畅。其主要技术经济指标为:处理流量范围不限(已建工程达0.0265 m3/s);截沙率高,对粒径大于0.5 mm的泥沙、卵石可100%排除,对小于0.5 mm的细沙可排除90%以上;排沙耗水量仅占渠道引水流量的3%,洪水期排沙,不影响发电水量;用于已建水电站不降低和影响原发电水头;工程造价低,仅为常规沉沙池造价的1/

14、51/10;工作稳定可靠,运行灵活,能在设计流量变幅达80%范围内正常工作3。采用这一工程措施可以解决建在多泥沙河流上径流式水电站的泥沙磨损问题。红山嘴水力发电厂在“排沙漏斗”建成运行后的当年(1998年)就节约渠道清淤费用20万元,设备年利用小时数达到建站以来的最高值,且超过设计时数227 h,当年增发电量1 043万kWh,给电厂增加发电收入166万元,不仅当年收回建“排沙漏斗”的工程成本且有盈余4。3.3 已报废微型水电站的改造新疆各地州在20世纪6070年代,修建了大批建在引水渠渠首或引水干渠跌水处的微型水电站(装机容量100 kW以下),当时电能主要用于农副产品加工和乡村照明.。自农

15、村电网改造后,因小水电其电能质量差、供电可靠性低、设计不合理、技术落后,设备陈旧老化、维护不到位以及管理体制变化及电网部门不允许上网等诸多原因,有80%以上已停止发电或报废。但部分电站的厂房、渠道、压力管道等水电站建筑物都较完整地保存下来。如果对这些电站采用招商引资的办法,投入少量的资金进行技术改造,在较短时间内可投入运行。可以采用安装箱式整装水轮发电机组来改造。箱式整装水轮发动机组是一种将所有的发电设备集装在一个金属箱内,并在工厂联调完毕,实现无人职守的一体化机组。现场安装之前,仅需做简单的混凝土基础处理,与压力引水管和输电设备连接即可发电。与建造常规水电站相比,具有投资少,建设工期短,不需

16、建造厂房、体积小、战地少、设施简化、技术先进、无人职守、运行费用低等诸多优点,在国外以成成熟技术,在我国也有成功应用实例。3.4 做好水力和调节保证核算在小型水电站的技术改造中,增容改造是主流。但电站压力引水系统的过流能力,强度以及调节保证参数能否满足增容后的要求是关键,应予以高度重视。否则会影响技术改造的经济效益和安全运行。核算的内容有两部分:一是水力核算即对水轮机压力输水系统的过流量和水头损失的数值关系进行核算。核算成果要精确且能与电站长期以来的实际运行参数相吻合,并绘制出水头损失与流量的关系曲线,以分析选定最大允许的水轮机额定水头和设计引用流量;二是调节保证核算即从机组运行特性和压力引水

17、系统水力特性两个方面,核算机组运行的过渡过程中,可能发生的最大水击压力和最大机组转速升高值,并检查前者是否在电站压力引水系统的允许承压范围内,以研究和确定采取补强措施的合理性和可行性。4 结 语新疆维吾尔自治区“十一五”水电农村电气化规划报告 已于2005年6月通过自治区通过,并报经国家发改委审批后确定19个县(市)为“十一五”水电农村电气化建设县。随着“十一五”水电农村电气化县的建设,将新建和技术改造一批水电站工程,我区小型水电站将越来越多地采用无人职守技术和小水电新型配套设备,从而减少小型水电站的运行成本,提高效益。小型水电站的技术改造进程也将进入一个新的发展时期。参考文献:1 钮顺发.农

18、村水电站的技术改造和技术发展趋势J.小水电,2007,(3):36-39.2 徐锦才,张 巍,徐国君,等.农村水电站机组增容改造的方法J.中国农村水利水电,2004,(10):78-79.3 周 著,侯 杰,邱秀云,等.漏斗式全沙排沙技术研究与应用J.中国三峡建设(人文版),2004,(5);75-86.4 孟宪虎,田跃进,刘新鹏,等.径流式梯级引水式水电站防治冰、泥沙、洪水危害技术措施探讨J.石河子大学学报,2001,(2):154-157.5 新疆维吾尔自治区水利厅.新疆农村电气化建设成就及今后的发展思路J.小水电,2002,(3):7-9.6 刘 芸,韦春侠.新疆水电事业可持续发展战略探

19、讨J.水利水电技术,2005,(7):126-128.(上接第147页)5 陈祖坪.拱坝线性破坏轨迹的随机分析J.水利学报,2000,(2):42-49.6 张社荣,贾世军,郭怀志.岩质边坡的可靠度分析J ,岩土力学,1999,20(6):57-63.7 刘 宁.可靠度随机有限元及其工程应用 M.北京:中国水利水电出版社,2001.8 俞茂宏.工程强度理论M.北京:高等教育出版社,2002.9 杨令强,练继建,张社荣,等.拱坝的破坏分析及超载问题探讨J ,水利学报,2003,(3):55-62.10 杨令强,练继建,张社荣,等.混凝土拱坝线性开裂随机分析与非线性强度分析J ,水利水运工程学报,2003,(1):13-17.051新疆小型水电站发展现状及技术改造方法浅议 塔义尔 肉孜 金培军