蔣曉陽(yáng),戴春華

(1.永康市楊溪水庫(kù)灌溉工程管理局,浙江 永康 321304;2.浙江廣川工程咨詢(xún)有限公司,浙江 杭州 310020)

1 問(wèn)題的提出

楊溪水庫(kù)位于浙江省永康市境內(nèi),水庫(kù)總庫(kù)容6453萬(wàn)m3,屬Ⅲ等工程,是一座以灌溉為主,結(jié)合防洪、供水、發(fā)電等綜合利用的中型水庫(kù)。攔河 (主)壩由溢流壩段和非溢流壩段組成,非溢流壩段為剛性斜墻干砌塊石壩,溢流壩段為漿砌條石寬縫重力壩。水庫(kù)建成蓄水后,經(jīng)過(guò)十幾年運(yùn)行,由于壩體干砌塊石與漿砌條石材料的不同導(dǎo)致壩頂出現(xiàn)多條縱橫裂縫,部分溢流壩段空腹內(nèi)出現(xiàn)不同程度滲水,混凝土防滲面板局部地段有透水率較大的張開(kāi)裂隙,大壩溢流段反弧面施工縫在125.2～128.2 m高程處被拉開(kāi),4#、6#空腹內(nèi)有滲水,壩體材料的不同,大壩安全鑒定認(rèn)定為“三類(lèi)壩”,必需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2 加固設(shè)計(jì)

加固前,二維有限元模型計(jì)算分析結(jié)果表明:溢流壩段在校核工況下,壩體大部分為壓應(yīng)力,其值均在3.0 MPa以下;但溢流壩段位于空腹上游側(cè)迎水面漿砌條石壩踵位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象,出現(xiàn)最大為0.61MPa的拉應(yīng)力。另外,混凝土防滲面板的剛性墊層漿砌條石,由于材質(zhì)不一,在溢流壩段空腹表面有部分己風(fēng)化,風(fēng)化程度不一,使條石強(qiáng)度有所降低,影響到壩段的整體性。

圖1 溢流壩段加固圖

針對(duì)大壩安全鑒定及二維計(jì)算分析存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)對(duì)混凝土面板采用賽柏斯涂層進(jìn)行防滲處理;對(duì)現(xiàn)有溢流堰面表面進(jìn)行清理,對(duì)局部裂縫進(jìn)行灌漿處理;空腹壩段廊道底部 (高程127m)以下四壁進(jìn)行清理后澆筑50 cm厚的C25F50鋼筋混凝土,在空腹壩段頭部122 m高程以下部分逐漸增加混凝土厚度至150 cm,以提高壩踵處的穩(wěn)定性?？崭箟味蔚撞炕鶐r風(fēng)化的部分進(jìn)行鑿除處理,并用C20F50混凝土回填。對(duì)混凝土和漿砌條石接觸面進(jìn)行回填灌漿。在每一壩段空腹內(nèi)上游側(cè)底部設(shè)排水孔,并沿上游拱圈頂部和端部新老結(jié)合體部位布置排水管。同時(shí)在原漿砌塊石和干砌塊石部位設(shè)置伸縮縫,避免不同壩體材料各自沉降后對(duì)路面造成的破壞。溢流壩段加固設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

為確保加固后大壩的安全運(yùn)行,有必要利用ABAQUS軟件對(duì)加固前后溢流壩段應(yīng)力情況進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析。

3 三維有限元計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型截取寬9.0 m的典型空腹寬縫溢流壩段(包括左右對(duì)稱(chēng)面各有1/2空腹和閘墩),地基截取溢流壩段上下游和深度方向的1.5倍壩高尺寸為模型計(jì)算邊界,以減小邊界條件對(duì)計(jì)算成果的影響。三維計(jì)算模型的坐標(biāo)系:選擇寬縫壩段中間(空腹正中間)剖面為坐標(biāo)系的 xy平面,x軸指向水庫(kù)下游,y軸豎直向上(溢流堰堰頂位置為 x=0,y代表實(shí)際高程),z軸指向右岸。有限元計(jì)算分析時(shí)施加的邊界約束:基巖底部固定約束,基巖上下游面施加上下游方向約束,壩段和閘墩左右岸方向(即在Z=±4.5 m面)施加對(duì)稱(chēng)面約束,其它的荷載根據(jù)不同計(jì)算工況分別施加。通過(guò)幾種單元類(lèi)型比較,選取三維10節(jié)點(diǎn)四面體和20節(jié)點(diǎn)六面體的2次單元進(jìn)行計(jì)算分析,模型共劃分103023個(gè)單元,節(jié)點(diǎn)數(shù)182989個(gè)。溢流壩段中剖面模型見(jiàn)圖2。計(jì)算采用的壩體材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩體材料參數(shù)表

圖2 加固后溢流壩段中剖面模型圖

3.2 計(jì)算工況

溢流壩段整體分析時(shí)取校核、設(shè)計(jì)工況,各計(jì)算工況上下游水位見(jiàn)表2。荷載組合:自重+閘墩荷載+上游靜水壓力+壩基揚(yáng)壓力+溢流面動(dòng)水荷載。對(duì)于壩基底部的揚(yáng)壓力,綜合 《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》 (SL 319—2005)和《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 25—2006),計(jì)算分析時(shí)揚(yáng)壓力的強(qiáng)度折減系數(shù)取α=0.6。

表2 各計(jì)算工況下的上下游水位表

3.3 計(jì)算分析

寬縫重力壩溢流壩段在設(shè)計(jì)和校核工況下的應(yīng)力分布及變化規(guī)律相似,以下著重分析特殊組合校核工況荷載下的應(yīng)力情況。

加固前溢流壩段漿砌石空腹內(nèi)表面的主拉應(yīng)力見(jiàn)圖3,總體來(lái)看,漿砌石主拉應(yīng)力值和分布區(qū)域都較小,其中最大主拉應(yīng)力產(chǎn)生在壩體廊道底部為0.24 MPa,其它的在0.05 MPa以?xún)?nèi)。

加固前主壓應(yīng)力情況:從圖4可以看出,最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在空腹下游出口孔洞底角附近較小范圍內(nèi),產(chǎn)生應(yīng)力集中,主壓應(yīng)力為3.8 MPa,隨后在小范圍內(nèi) (1.0 m左右)就降低到1.2MPa;在壩體廊道底部局部最大主壓應(yīng)力為2.3 MPa;在127.0 m高程以下,空腹內(nèi)上游側(cè)迎水面與空腹側(cè)面交接區(qū)域,主壓應(yīng)力約為0.6～1.4 MPa;漿砌條石壩空腹側(cè)面:上游端高程127.0 m以下,中部120 m高程以下,下游端123 m高程以下區(qū)域,主壓應(yīng)力值為0.8～1.2 MPa;壩段漿砌條石底部主壓應(yīng)力值為0.9～1.4MPa。

圖3 加固前空腹內(nèi)壁主拉應(yīng)力分布圖

加固方案實(shí)施后,漿砌石壩體廊道底部最大主拉應(yīng)力為0.12 MPa;溢流壩段空腹側(cè)壁的主拉應(yīng)力分布區(qū)域、應(yīng)力值和分布區(qū)域都較小(見(jiàn)圖5)。

加固后主壓應(yīng)力情況:從圖6可以看出,最大主壓應(yīng)力也在空腹下游出口孔洞底角,為3.4 MPa,比加固前約降低15%,隨后在小范圍內(nèi)就降低到1.1 MPa;在壩體廊道底部局部主壓應(yīng)力為2.1MPa,在127.0 m高程以下的空腹內(nèi)上游側(cè)迎水面與空腹側(cè)面交接區(qū)域,主壓應(yīng)力約為0.6 MPa,在高程127.0 m以下,加固后主壓應(yīng)力明顯減少;漿砌條石空腹側(cè)面:上游端高程127.0m以下,中部120 m高程以下,下游端123m高程以下區(qū)域,主壓應(yīng)力在0.6～0.8 MPa,比加固前約降低20%;壩段漿砌條石底部主壓應(yīng)力在0.6～1.1 MPa,比加固前約降低10%。加固后,空腹側(cè)面的3個(gè)不同高程 (117.5,112.0,126.5 m)上的主壓應(yīng)力值都相應(yīng)的降低。

圖4 加固前漿砌石主壓應(yīng)力分布圖

圖5 加固后空腹內(nèi)壁主拉應(yīng)力分布圖

圖6 加固后漿砌石主壓應(yīng)力分布圖

從計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果對(duì)比來(lái)看,根據(jù) 《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2005)和 《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 25—2006)規(guī)定,C20混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許值約為10 MPa,而M10水泥砂漿砌條石容許壓應(yīng)力為5.3MPa,極限抗拉強(qiáng)度為0.6 MPa?；窘M合和特殊組合下,加固后溢流壩段關(guān)鍵部位,特別是空腹內(nèi)上游側(cè)迎水面與空腹側(cè)面交接區(qū)域,壩體漿砌條石應(yīng)力情況有明顯改善;溢流壩段漿砌條石的拉、壓應(yīng)力強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)大壩安全鑒定及二維計(jì)算分析存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)對(duì)溢流壩段采用多種方法進(jìn)行加固處理,為了模擬加固后溢流壩的應(yīng)力狀態(tài),采用三維仿真方法進(jìn)行計(jì)算。為減小邊界條件對(duì)計(jì)算成果的影響,計(jì)算模型截取寬9.0 m的典型空腹寬縫溢流壩段,同時(shí)通過(guò)幾種單元類(lèi)型比較,選取三維10節(jié)點(diǎn)四面體和20節(jié)點(diǎn)六面體的2次單元進(jìn)行計(jì)算分析。加固前后的計(jì)算結(jié)果分析表明,溢流壩段的拉、壓應(yīng)力狀態(tài)均有明顯改善。經(jīng)驗(yàn)表明,模型的選取、壩體材料參數(shù)的選擇、邊界條件的確定等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響,在分析時(shí),應(yīng)參考同類(lèi)型的工程進(jìn)行深入比較、分析,這樣才能得出比較合理的結(jié)果。在類(lèi)似工程中,該計(jì)算方法可為設(shè)計(jì)方案的選取提供重要依據(jù)。