拱坝建基面软弱带置换的设计方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种拱坝建基面软弱带置换的设计方法。


背景技术：

2.混凝土拱坝设计规范要求，坝基经处理后具有足够满足承载能力和变形控制要求的强度和刚度，满足拱座抗滑稳定和拱坝整体稳定。坝基处理方案应根据坝址地质条件和基岩的物理力学性质，通过拱坝结构分析和稳定分析确定。坝基处理措施应根据地质条件和处理目的进行选择，可采用挖除、垫座、推力墩、重力墩、翼坝、固结灌浆、接触灌浆、防渗排水、软弱岩带混凝土置换、预应力锚固的措施。其中软弱岩带混凝土置换是建基面缺陷处理的主要手段。
3.坝基软弱岩带包括各种规模断层、裂隙密集带、蚀变岩、变质岩带等等，拱坝建设在软弱岩带处理方面积累了很多经验，美国垦务局提出了软弱岩置换处理经验公式法的经验公式，h＜45m时：h＝0.3b 1.5；h＜45m时：h＝0.3b 1.5，其中h为断层破碎带处的坝高(m)，h为混凝土塞的回填深度(m)，b为断层破碎带的宽度(m)，日本提出类似的经验公式。我国二滩工程和小湾工程也总结提出了较系统的设计方法(赵永刚2001，何瑞良2017)，包括工程经验法、结构力学法、弹性地基梁法、有限元分析法。总的说来，坝基范围软弱岩带处理的一般方法包括：
①
规模较小软弱岩带，但下部充填物松散软弱，且对坝基强度和压缩变形仍有影响，可沿软弱岩带铺设适量钢筋网片；
②
规模一般软弱岩带，按工程经验或规范应进行处理，一般处理方式为沿软弱岩带进行槽挖混凝土置换，置换深度为1～1.5倍软弱岩带的宽度；
③
范围延伸出上、下游坝基的软弱岩带，为了将坝基应力向坝基范围外扩散，应扩展开挖处理范围，其水平扩散长度一般为1.5～2.0倍混凝土槽塞置换深度；
④
当坝基软弱岩带规模较大，下部充填物为破碎软岩，且对变形有较大影响时，应严格处理，必须满足构造要求，还应进行仔细设计与计算。可采用工程经验法、结构力学法、弹性地基梁法、深梁法、平面有限元法、三维有限元分析法等计算方法，确定混凝土槽塞置换深度。
4.随着计算机软硬技术的飞速发展，有限元分析已是拱坝结构和基础处理设计的重要手段。李家峡拱坝，河床建基面分布有多条断层组成的f20断层族，交错发育，经验公式、结构力学等方法很难适用，三维有限元法在建基面置换和深部网格置换的处理设计得到充分应用(白俊光，2008)。复杂地质条件锦屏一级地基处理设计中采用三维有限元法，系统研究比较基础处理方案，研究建基面软弱岩带置换的处理设计方法(薛利军2005，牟高翔2009，胡著秀2010)。大岗山(王超2012)、白鹤滩、在建的叶巴滩和孟底沟拱坝等工程也大量采用有限元等数值计算方法进行拱坝建基面软弱岩带置换处理。
5.有限元法在拱坝基础处理设计上，一方面相对其他方法有很多优势，可以考虑复杂几何形状、材料分区、荷载组合和施工过程等各种因素，能够考虑拱坝和地基的相互作用；另一方面计算工作量较大，特别是进行各种处理方案比较，从建模、加载到成果处理，需要进行大量比较分析，周期比较长，需要系统分析、总结建立相对科学、简便和标准的流程
和方法，简化计算工程量，提高计算合理性和科学性，供后续工程参考。特别是对相对单纯问题，例如斜穿建基面的单一软弱岩带的置换，建立相对合理的分析流程和方法；对于一种能适应斜穿拱坝建基面和陡坡坝段陡倾软弱岩带的处理设计的通用方法。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是提供一种结合有限元分析方法实现的拱坝建基面软弱带置换的设计方法。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：拱坝建基面软弱带置换的设计方法，为基于组合二维平面有限元法和三维有限元法的拱坝建基面软弱带置换的设计方法，包括以下步骤：
8.步骤一、取坝趾、坝中和坝踵剖面软弱夹层所在区域，并截取对应的剖面范围，其中截取的剖面范围不小于软弱岩在建基面出露长度的两倍；根据剖面上夹层与剖面的关系，参考经验公式，确定开挖置换的基本形态，得到不同置换范围的各种方案，并分别建立规则网格；
9.步骤二、根据拱坝体形设计的断层穿过拱圈或相邻拱圈，对计算网格上建基面受力进行插值，并求出各点所受合力，然后分解到平面内，得到网格节点的受力；
10.步骤三、坝趾、坝中和坝踵多置换方案比较，根据位移收敛趋势，确定每个剖面的置换方案；
11.步骤四、在三维软件设计计算平台上，连接坝趾、坝中和坝踵方案，构建置换体三维模型；
12.步骤五、判断置换体结构性态是否合理，考虑施工等各种因素，完善并修改处理方案；
13.步骤六、建立置换体三维网格模型，根据拱坝地基三维有限元计算成果，获得子模型的边界条件，进行置换体的结构计算，计算分析置换体的受力性态，若不合理，对置换方案再进行修改完善。
14.本发明的有益效果是：本发明通过结合二维和三维有限元法，能够适应各种形态和特性的软弱岩带的置换，特别是针对斜穿拱坝建基面陡坡段的陡倾软弱岩带，并细致考虑建基面上各类岩体的材料特性，和不规则的开挖置换形态。能采用建基面受力的空间插值，考虑了拱端建基面上的拱推力的实际分布特性；采用基于二维有限元计算的置换方案比较，减小计算工作量，缩短计算周期。采用子模型法计算，能以较小的计算量，分析置换体的空间受力性态，并能够为后续可能的配筋计算提供依据。
附图说明
15.图1两端固定深梁计算简图；
16.图2建基面陡坡段软弱岩带置换；
17.图3为拱坝建基面软弱岩带混凝土置换的设计流程；
18.图4为拱坝建基面坝趾、坝中和坝踵剖面示意位置。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
20.需要说明，若本发明中有涉及方向性指示用语，如上、下、左、右、前、后的方向、方位用语，是为了利于构件间相对位置联系的描述，非为相关构件、构件间位置关系的绝对位置特指，仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。若本发明中有涉及数量的用语，如“多”、“多个”、“若干”等，具体指的是两个及两个以上。
21.如1至图4中所示，本发明所述的拱坝建基面软弱带置换的设计方法，为基于组合二维平面有限元法和三维有限元法的拱坝建基面软弱带置换的设计方法，包括以下步骤：
22.步骤一、取坝趾、坝中和坝踵剖面软弱夹层所在区域，并截取对应的剖面范围，其中截取的剖面范围不小于软弱岩在建基面出露长度的两倍；根据剖面上夹层与剖面的关系，参考经验公式，确定开挖置换的基本形态，得到不同置换范围的各种方案，并分别建立规则网格；
23.步骤二、根据拱坝体形设计的断层穿过拱圈或相邻拱圈，对计算网格上建基面受力进行插值，并求出各点所受合力，然后分解到平面内，得到网格节点的受力；
24.步骤三、坝趾、坝中和坝踵多置换方案比较，根据位移收敛趋势，确定每个剖面的置换方案；
25.步骤四、在三维软件设计计算平台上，连接坝趾、坝中和坝踵方案，构建置换体三维模型；
26.步骤五、判断置换体结构性态是否合理，考虑施工等各种因素，完善并修改处理方案；
27.步骤六、建立置换体三维网格模型，根据拱坝地基三维有限元计算成果，获得子模型的边界条件，进行置换体的结构计算，计算分析置换体的受力性态，若不合理，对置换方案再进行修改完善。
28.另外，对于置换体内拉应力较大的区域，进行应力图形法配筋设计。以进一步提高承载能力。