巖灘溢流重力壩抗震安全分析和評(píng)價(jià)

馬 躍,沈振中,甘 磊,覃 杰,李文森

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210098;2.廣西巖灘水電廠,廣西 大化530811)

巖灘水電站是紅水河梯級(jí)水電站中的第五級(jí),位于紅水河中游廣西大化瑤族自治縣境內(nèi),東南距巴馬縣30 km,距南寧市170 km。1992年建成,電站以發(fā)電為主,兼有航運(yùn)效益。樞紐主要建筑物由攔河壩、發(fā)電廠房、開關(guān)站和垂直升船機(jī)等組成,呈一列式布置。溢流壩段位于河床中部,包括溢流壩和消力戽,上游壩面為鉛直面,溢流堰面采用WES標(biāo)準(zhǔn)剖面。溢流壩按開敞式布置,設(shè)7個(gè)表孔,每孔寬15 m,堰頂高程202 m,每孔設(shè)弧形工作閘門一扇,表孔消能方式采用寬尾墩與康式消力池聯(lián)合消能,故閘墩尾部增厚,標(biāo)準(zhǔn)寬尾墩的閘墩尾部寬度為12 m,寬尾部分的長(zhǎng)度為12 m,寬尾部分的高度系從堰面至202 m高程。高程163 m以上壩體采用碾壓混凝土澆筑。碾壓混凝土壩采用“金包銀”式,即壩體內(nèi)部為碾壓混凝土,上、下游壩面,堰頂和壩基墊層為常態(tài)混凝土。壩址工程地質(zhì)條件較好,壩基處于輝綠巖,主體工程基礎(chǔ)均置于微風(fēng)化新鮮輝綠巖上。DL5073-2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.2條規(guī)定,“對(duì)于工程抗震設(shè)防類別為甲類,或結(jié)構(gòu)復(fù)雜,或地基條件復(fù)雜的重力壩,宜補(bǔ)充作有限元法動(dòng)力分析”,本研究即遵循上述規(guī)定,選取溢流壩段中的最高壩段16#,采用三維有限元法,按地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震安全復(fù)核,研究大壩的地震反應(yīng)以及基巖深、淺層抗滑穩(wěn)定性,并分析基巖變形的影響,評(píng)價(jià)大壩的抗震安全性。巖灘大壩溢流壩段的典型剖面如圖1所示。

1 有限元模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性及計(jì)算分析要求,忽略廊道、機(jī)房和閘門等附屬結(jié)構(gòu)的影響,將閘門擋水時(shí)作用在閘門上的水壓力按均布力作用于錨塊上,壩體混凝土分3個(gè)區(qū),壩基巖體分5個(gè)區(qū)。壩體混凝土作為線彈性材料,壩基巖體作為彈塑性材料[1],通過(guò)建立三維有限元模型進(jìn)行非線性計(jì)算分析。采用Solid45和Solid65兩種單元分別模擬壩體混凝土和壩基巖體[2]。坐標(biāo)系定義為:原點(diǎn)取壩軸線;X軸為順河向,以從上游指向下游方向?yàn)檎?Y軸為豎直向,以向上為正;Z軸為平行壩軸線,以從河流左岸指向右岸方向?yàn)檎?。?jì)算模型的邊界范圍如下:在X軸向,壩踵往上游截取1.5倍壩高,壩趾往下游截取1.5倍壩高,共計(jì)390.9 m;在Y軸向,向下截至壩基面以下1.5倍壩高,共265 m;在Z軸向,取全部壩段寬度,即壩軸線向長(zhǎng)度為20 m。離散后,溢流壩段的有限元模型結(jié)點(diǎn)數(shù)為11 487個(gè),單元數(shù)為11 263個(gè)(圖2)。

計(jì)算模型截取邊界均為底部固定約束,上、下游X向約束,側(cè)面Z向約束。

圖1 溢流壩段典型剖面

圖2 模型有限元網(wǎng)格

2 計(jì)算參數(shù)和工況

該壩溢流壩段各分區(qū)混凝土及巖體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

根據(jù)規(guī)范要求,對(duì)溢流壩段特殊荷載組合Ⅱ進(jìn)行計(jì)算分析,即考慮大壩正常蓄水時(shí)遭遇設(shè)計(jì)地震的情況。正常蓄水位為223m,大壩按7度地震設(shè)防。計(jì)算時(shí),所施加的荷載包括:自重、上游靜水壓力、壩基揚(yáng)壓力、上游庫(kù)水和河道水重、淤沙壓力、閘門作用在錨塊上的推力等。由于揚(yáng)壓力實(shí)測(cè)值小于設(shè)計(jì)值,因此為安全計(jì),仍取設(shè)計(jì)值作為揚(yáng)壓力荷載進(jìn)行抗震安全復(fù)核,防滲帷幕和排水孔幕的綜合揚(yáng)壓力系數(shù)取0.3。現(xiàn)狀巖灘大壩壩前淤積高程約為171.5 m,未超過(guò)設(shè)計(jì)的按40 a計(jì)算的淤積高程175m。閘墩承受的單支鉸門推力為23 160 kN,按均布力加載在錨塊的上游面上。地震慣性力及地震動(dòng)水壓力按DL5073-2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和DL5077-1997《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行計(jì)算。

3 地震作用下大壩安全評(píng)價(jià)

首先計(jì)算基巖在自重作用下的位移和應(yīng)力,保存計(jì)算所得初始應(yīng)力文件。建壩后地震作用情況下需先加載此文件,然后施加其它荷載,初始應(yīng)力文件中僅有應(yīng)力項(xiàng),無(wú)位移項(xiàng),即假定基巖在自重作用下的變形早已完成。這里應(yīng)力以拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。

3.1 強(qiáng)度安全評(píng)價(jià)

將壩體在地震作用下的應(yīng)力反應(yīng)與正常蓄水工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加,得到地震作用下的壩體應(yīng)力分布。

靜動(dòng)力荷載作用下,壩體最大第一主應(yīng)力值為3.27 MPa,出現(xiàn)在寬尾墩尾部的折坡處,與靜力工況下壩體最大拉應(yīng)力出現(xiàn)部位相同,另外寬尾墩尾部與溢流壩交接處以及壩踵處的第一主應(yīng)力值也較大,分別為2.51 MPa和1.75 MPa;最大第三主應(yīng)力即壓應(yīng)力值為1.13 MPa,出現(xiàn)在寬尾墩尾部的折坡處;壩體豎直向最大應(yīng)力為1.73 MPa,出現(xiàn)在閘墩尾部折坡處以及壩踵位置。從應(yīng)力分布來(lái)看,庫(kù)水壓力通過(guò)閘門傳給閘墩上的牛腿,必然在閘墩尾部折坡處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,并在寬尾墩尾部與溢流壩交接處產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果符合一般規(guī)律。由于自重和水壓力的作用,垂直向最大應(yīng)力出現(xiàn)壩踵位置和閘墩尾部與溢流壩交接處。根據(jù)DL5073-2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,壩體材料在動(dòng)力荷載情況下材料的抗拉強(qiáng)度也較靜力情況增大30%[3],同時(shí)考慮到壩體第一主應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度的范圍很小,屬于應(yīng)力集中的現(xiàn)象,故壩體在地震作用下,強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3.2 抗滑穩(wěn)定分析和評(píng)價(jià)

在特殊荷載組合Ⅱ下,將動(dòng)力分析反應(yīng)譜法計(jì)算所得的動(dòng)力分析結(jié)果與大壩在正常蓄水工況下靜力分析成果進(jìn)行疊加,可得到大壩在地震作用下的壩體位移和應(yīng)力,據(jù)此對(duì)大壩進(jìn)行深、淺層抗滑穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)。

3.2.1 壩基面抗滑穩(wěn)定分析和評(píng)價(jià)

在正常蓄水工況下計(jì)算得到壩體在靜荷載作用下的應(yīng)力場(chǎng),同時(shí)用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算得到了壩體在地震作用下動(dòng)應(yīng)力的分布,現(xiàn)在按照對(duì)壩體穩(wěn)定最不利的原則,將靜力和動(dòng)力計(jì)算所得的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行疊加,得到地震作用下壩體的應(yīng)力分布。由此,計(jì)算出建基面上全部豎直向荷載和水平向荷載,代入抗剪斷強(qiáng)度公式[4],可計(jì)算得到壩基面上的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),即

式中:∑W為作用于建基面上的力在豎直向投影的代數(shù)和;∑P為作用于建基面上的力在水平向投影的代數(shù)和;U為作用于建基面上的揚(yáng)壓力;f′和c′為建基面上的抗剪斷摩擦系數(shù)和凝聚力;A為建基面的受力面積。

經(jīng)計(jì)算得,K′=4.08。對(duì)于特殊荷載組合Ⅱ,規(guī)范要求的最小安全系數(shù)為2.30,因此該大壩沿壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.2.2 深層抗滑穩(wěn)定分析和評(píng)價(jià)

基于強(qiáng)度儲(chǔ)備法[4,5]理論,對(duì)溢流壩段進(jìn)行強(qiáng)度儲(chǔ)備計(jì)算分析,以得到該壩段的深層抗滑穩(wěn)定安全度。根據(jù)地質(zhì)條件,主要關(guān)注壩基淺層部位巖體的穩(wěn)定性情況,模型中壩體部分作為線彈性材料,壩基巖體作為彈塑性材料,對(duì)壩基下一定范圍內(nèi)的基巖進(jìn)行等比例強(qiáng)度折減。按照等比例對(duì)壩基巖體的強(qiáng)度進(jìn)行折減。計(jì)算各折減系數(shù)K(即強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù))條件下壩基和壩體的應(yīng)力,并分析塑性區(qū)的變化情況。圖3為折減系數(shù)K=7.3時(shí)對(duì)應(yīng)的壩基塑性區(qū)分布。計(jì)算結(jié)果表明,強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)K與壩基屈服區(qū)的分布具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,隨著K的增大,基巖強(qiáng)度不斷減小,屈服區(qū)面積擴(kuò)大[6]。壩踵區(qū)域最先出現(xiàn)拉剪破壞,塑性區(qū)逐步向深部擴(kuò)展,當(dāng)屈服區(qū)發(fā)展到一定范圍,導(dǎo)致壩體失穩(wěn)。

圖3 折減系數(shù)K=7.3時(shí)對(duì)應(yīng)的壩基塑性區(qū)分布

當(dāng)K超過(guò)7.3以后,有限元迭代計(jì)算不再收斂。因此認(rèn)為該壩段的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)達(dá)到7.3,該值遠(yuǎn)大于壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),說(shuō)明在地震荷載作用下壩基巖體產(chǎn)生深層滑動(dòng)的可能性極小,因此對(duì)于壩體的抗滑穩(wěn)定只需考慮淺層的抗滑穩(wěn)定。

4 壩基巖體變形的影響分析

在計(jì)算時(shí)考慮壩基巖體在自重作用下的應(yīng)力和變形。首先計(jì)算基巖在自重作用下的應(yīng)力與變形,保存計(jì)算所得的初始應(yīng)力文件,然后考慮其它工況,建壩以后的各工況均先加載壩基初始應(yīng)力文件,再施加相應(yīng)荷載進(jìn)行計(jì)算,初始應(yīng)力文件中只有應(yīng)力項(xiàng),不計(jì)位移項(xiàng),即認(rèn)為基巖在自重作用下的變形早已完成。

在非線性有限元計(jì)算中,壩體自重、水壓力、揚(yáng)壓力、淤沙壓力、地震作用在加載基巖自重后逐級(jí)施加。由于壩基巖體是變形體,而上述各種荷載在壩基面產(chǎn)生的附加應(yīng)力不同,因此,它們對(duì)壩基巖體變形的影響也不同。在彈塑性狀態(tài)下,非線性有限元法計(jì)算的壩基變形和應(yīng)力受加載路徑的影響較大,因此,不同的加載順序、不同的荷載增量也都影響壩基巖體的應(yīng)力場(chǎng),從而也影響壩基的深層抗滑穩(wěn)定性。對(duì)于本工程,基巖自重、壩體自重、水壓力、揚(yáng)壓力、淤沙壓力、浪壓力和地震作用各荷載的加載順序基本明確,所不同的僅是各級(jí)增量的大小。這里比較了加載率分別為0.1和0.2的兩種情況,所得的壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為7.3和7.2,兩者差別不大,且塑性連通區(qū)和滑動(dòng)面也基本一致,因此,在考慮了壩基巖體的變形后,不同的加載方式對(duì)穩(wěn)定性計(jì)算成果的影響較小。

采用材料力學(xué)法計(jì)算時(shí),壩基深層抗滑穩(wěn)定是按剛體極限平衡法計(jì)算的,即壩基巖體是剛性體。在特殊荷載組合Ⅱ下,溢流壩段的深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為6.017。

可見(jiàn),考慮了壩基巖體的變形后,非線性有限元法計(jì)算的壩基深層抗滑穩(wěn)定強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)大于不考慮壩基巖體變形的材料力學(xué)法計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),兩者的滑動(dòng)面也有差別。

因此,壩基巖體變形對(duì)壩基深層抗滑穩(wěn)定的影響是極為復(fù)雜的,它受基巖性質(zhì)和應(yīng)力場(chǎng)分布的影響很大。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)建立了碾壓混凝土重力壩溢流壩段三維有限元模型,計(jì)算獲得了特殊荷載組合Ⅱ工況下溢流壩段的應(yīng)力情況。在荷載作用下,壩體的壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土材料的抗壓強(qiáng)度,壩體拉應(yīng)力大小也基本滿足規(guī)范要求。

(2)特殊荷載組合Ⅱ工況下運(yùn)用抗剪斷強(qiáng)度公式核算的壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為4.08,滿足規(guī)范要求。應(yīng)用有限元強(qiáng)度儲(chǔ)備法對(duì)壩基巖體深層抗滑穩(wěn)定進(jìn)行分析,計(jì)算的壩基強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為7.3,滿足重力壩穩(wěn)定性要求。

(3)比較了加載率分別為0.1和0.2的兩種加載情況,分析了壩基巖體變形的影響,該溢流壩段不同的加載方式對(duì)穩(wěn)定性計(jì)算成果的影響較小。

(4)巖灘溢流壩的抗震安全性滿足規(guī)范要求。

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