寶泉抽水蓄能電站下水庫大壩加高工程方案分析

王洪玉，劉 艷，王 浩

（1.鄭州黃河工程建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450045；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司科研院，河南 鄭州 450000；3.豫西黃河河務(wù)局濟源黃河河務(wù)局，河南 濟源 454650）

1 工程概況

寶泉抽水蓄能電站位于河南輝縣峪河。 電站設(shè)計安裝4 臺單機容量為300 MW 的可逆式水泵水輪機組，總裝機容量為1200 MW，承擔著河南電力系統(tǒng)削峰填谷、事故備用、調(diào)頻調(diào)相等任務(wù)。 寶泉電站樞紐工程的上、下水庫采用漿砌石重力壩，工程級別為一等，工程規(guī)模為大（一）型，按照百年一遇洪水標準設(shè)計，采用1 000 年一遇洪水標準校核。工程場地基本烈度為7°，設(shè)計烈度為8°。

寶泉下水庫大壩是在原大壩基礎(chǔ)上加高而成。在加高壩體時，采用放空庫容，旱地施工的方式。 在水庫運行過程中，不同蓄水方式將對老壩體的應(yīng)力產(chǎn)生不同影響，因此需要研究壩體蓄水方式對壩體變形、穩(wěn)定及應(yīng)力的影響。

在實施加高壩體的方案時，存在一些問題。 一方面，老壩體的彈性模量難以準確給定，另一方面，新壩體（后期加高部分）與老壩體的材料特性存在著較大的差異性。 彈性模量的不確定性和差異性對壩體受力的影響規(guī)律值得深入研究。 在施工過程中，發(fā)現(xiàn)一些與原設(shè)計、竣工圖不符的地方，而且蓄水方式有所改變，與原設(shè)計方案不一致。 因此，有必要針對下水庫蓄水方式、新老壩體不同彈性模量等一些特殊問題開展深入研究。

本文使用ANSYS 通用軟件，建立了加高壩體施工方案的數(shù)值模型，對蓄水方式和不同彈性模量問題進行深入探討，計算成果對施工設(shè)計具有參考依據(jù)。

2 計算模型及荷載計算

2.1 建立模型

建立了溢流壩段典型斷面的有限元模型，各壩段中的廊道周邊單元網(wǎng)格進行了局部加密 （如圖1和圖2 所示）。

圖1 下水庫壩體加高模型示意圖Fig.1 Heightening model of the lower reservoir dam

圖2 下水庫溢流壩斷面圖Fig.2 Lower reservoir overflow dam cross-section

2.2 荷載計算

（1）基本參數(shù)及計算工況

材料參數(shù)如表1 所示。 計算工況為3 個典型壩段、4 種蓄水位、9 種彈性模量組合而成的108 種計算工況。3 個典型壩段為溢流壩段、河床擋水壩段和岸坡?lián)跛畨味巍?4 種蓄水位分別為244 m、252 m、255 m、260 m。 9 種彈性模量（老壩體彈性模量/新壩體彈性模量，GPa） 為6.5/5.0、6.5/7.0、6.5/9.0、7.0/5.0、7.0/7.0、7.0/9.0、7.5/5.0、7.5/7.0 和7.5/9.0。

（2）壩面水壓力

壩面水壓力的計算式為

式中：γ 為單位體積水的重量，kN/m3；h 為淹沒深度，m；P 為水壓力，kN。

表1 相關(guān)材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Related material physical mechanics parameters

（3）泥沙壓力

泥沙壓力的計算式為

式中：γn為泥沙浮容重，kN/m3；hn為壩前泥沙淤積高度，m；φn為泥沙內(nèi)摩擦角，°；pn為泥沙對壩面的壓強，kPa。

（4）揚壓力

揚壓力的計算公式可參閱文獻[2]，其計算簡圖如圖3 所示。

圖3 揚壓力計算簡圖Fig.3 Uplift pressure calculation

圖中，h1為上游水深，m；h2為下游水深，m；△h為上下游水位差，m； h0為廊道中心點作用水頭，m。

3 計算結(jié)果分析

3.1 彈性模量對壩體位移的影響

從圖4 中可以非常明顯地看出，壩體總位移隨著彈性模量的增加而減小。 溢流壩段老壩體的彈性模量對壩體位移影響較大。 因為溢流壩段與河床壩段的新壩體均是在老壩體的基礎(chǔ)上建造的，老壩體相當于新壩體的基礎(chǔ)，并且新加高部分相對較低，水壓力作用相對較小。

圖4 溢流壩段壩肩位移δ 隨彈性模量變化規(guī)律（水位260m）Fig.4 Changing rules of overflow dam section shoulder displacement δ (water level: 260 m)

3.2 彈性模量對壩體受力的影響

溢流壩段壩踵與壩趾的垂向正應(yīng)力隨新、老壩體彈性模量的變化規(guī)律如圖5 和圖6 所示。圖5、圖6 表明，壩踵垂向正應(yīng)力σy隨老壩體彈性模量的增加而增大，壩趾的σy與壩踵的變化規(guī)律相反，隨老壩體的彈性模量增加而減小。 新壩體彈性模量對壩踵、壩趾的σy影響均很小。

圖5 壩踵垂向應(yīng)力隨彈模量變化規(guī)律（水位：260m）Fig.5 Changing rules of dam heel vertical stress with elastic modulus (water level: 260m)

溢流壩段在正常蓄水位時，新、老壩體彈性模量對壩踵垂向正應(yīng)力σy的影響最大，最大絕對變幅為151.58 kPa，相對變幅為91.25%；對壩趾基平面垂直正應(yīng)力σy的影響相對最小，垂向正應(yīng)力最大絕對變幅為16.01 kPa，相對變幅為0.39%；對新、老壩體接觸面中心垂向正應(yīng)力影響較小，最大絕對變幅為65.71 kPa，最大相對變幅為11.10%。

3.3 蓄水位對壩體受力的影響

蓄水位對壩體的垂向正應(yīng)力影響如圖7 和圖8所示。

從圖7 和圖8 可知，水位對壩體的垂向正應(yīng)力影響較大，基本上呈線性變化，各擬合直線的決定系數(shù)R2均大于0.97，說明線性擬合度十分理想。 各典型斷面的壩踵垂向應(yīng)力σy隨水位變化十分明顯，其中河床壩段壩踵斜率絕對值最大，達到147.06。

圖6 壩趾垂向應(yīng)力隨彈模變化規(guī)律圖Fig.6 Changing rules of dam toe vertical stress with elastic modulus

圖7 壩踵垂向正應(yīng)力σy 與水位的關(guān)系圖Fig.7 Relations of dam heel vertical normal stress σy and water level

圖8 壩趾垂向正應(yīng)力σy 與水位的關(guān)系圖Fig.8 Relations of dam toe vertical normal stress σy and water level

4 結(jié)論

（1）隨著壩體彈性模量的增加，壩體的整體剛度逐漸增大，壩體的總位移隨之減小。 （2）老壩體彈性模量對溢流壩段壩踵垂向正應(yīng)力影響較大，壩踵垂向壓應(yīng)力隨著老壩體彈性模量的增加而增大。（3）壩體彈性模量對壩體垂向應(yīng)力σy有較大影響，水位越高，影響越大。 （4）蓄水方式對壩體垂向正應(yīng)力的影響較大，壩體垂向正應(yīng)力與上游水位基本呈線性關(guān)系。 （5）在正常蓄水位時，壩踵垂向正應(yīng)力接近0，即處于圧應(yīng)力與拉應(yīng)力的臨界狀態(tài)。因此，水庫投入運行后，當上游蓄水位超過260m 時，應(yīng)當給予高度關(guān)注。同時，在施工中，應(yīng)充分重視結(jié)合面的施工質(zhì)量。

[1] SL25-91，漿砌石壩設(shè)計規(guī)范[S].

[2] Sl203-97，水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 孫訓(xùn)方.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4] 孫恭堯，王三一，馮樹榮.高碾壓混凝土重力壩[M].北京：中國電力出版社，2004.