大崗山水電站拱壩壩肩巖體加固效果分析

肖 薇

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

大崗山水電站拱壩壩肩巖體加固效果分析

肖 薇

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

大崗山水電站壩址具備修建高拱壩的優(yōu)越地形條件，但壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖脈、擠壓破碎帶、斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育，必須進(jìn)行加固處理。利用ANSYS有限元分析軟件，分別對大崗山拱壩壩肩天然地基和加固地基進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明：天然地基條件下，超載安全系數(shù)為4.0～5.0，加固地基條件下，超載安全系數(shù)為5.0～6.0。說明加固方案能夠有效提高壩體的穩(wěn)定性和安全度，并且明顯改善壩體應(yīng)變及壩體的塑性變化范圍，為工程設(shè)計和施工以及類似工程加固提供了科學(xué)依據(jù)。

大崗山水電站；壩肩穩(wěn)定；天然地基；加固地基；加固效果；分析

0 前 言

大崗山水電站壩址具備修建高拱壩的優(yōu)越地形條件：壩址區(qū)兩岸山體雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，自然坡度介于40°～65°之間，相對高差一般在 600 m 以上。兩岸山體基本對稱，左岸較陡，基巖裸露，左岸海流溝、右岸銅槽溝為較大的支溝，海流溝口以上大渡河河谷呈“V”形峽谷。但另一方面，大崗山水電站工程規(guī)模大，壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，工程技術(shù)難度大，特別是對穩(wěn)定起控制作用的斷層、蝕變巖脈和節(jié)理裂隙，直接影響到拱壩壩肩的穩(wěn)定和安全，因此，為了保證大崗山水電站的安全運行，就必須對其兩岸壩肩巖體采取加固措施[4]。本文利用ANSYS分析軟件，對大崗山拱壩加固前地基和加固后地基分別進(jìn)行有限元計算分析，對其加固效果進(jìn)行評價，為該工程的設(shè)計和施工以及類似工程的加固處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況及主要地質(zhì)條件

大崗山水電站位于四川省雅安市石棉縣境內(nèi)，是大渡河干流近期開發(fā)的大型水電工程之一，其樞紐主要由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物以及左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成，大壩最大壩高210 m。樞紐主要功能為發(fā)電，兼有防洪、攔沙、供水等作用，裝機(jī)總?cè)萘繛? 600 MW。

壩址位于黃草山斷塊西緣，壩區(qū)無區(qū)域斷裂切割，壩址區(qū)基巖以澄江期花崗巖類為主，河床壩基巖體主要為中粒黑云二長花崗巖，局部穿插輝綠巖脈；地質(zhì)構(gòu)造以小斷層(Ⅳ級結(jié)構(gòu)面)和巖脈破碎帶為主，裂隙較為發(fā)育，裂面平直粗糙，新鮮無充填，對兩岸壩肩穩(wěn)定起主要影響的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為巖脈及斷層。右岸壩肩主要有巖脈β4(f5)、β8(f7)、β43(f6)以及斷層f65、f85；左壩肩主要有巖脈β21、β4(f5)、β8(f7)和斷層f54、f99、f100。壩址區(qū)巖脈較松弛，與圍巖多呈裂隙式接觸，主要為Ⅳ、Ⅴ類巖體；斷層主要由片狀巖、糜棱巖、壓碎巖、斷層泥等組成。

大崗山水電站拱壩壩址區(qū)地質(zhì)條件總體較好，但存在影響壩肩穩(wěn)定的不利因素，如壩肩巖體彈性模量變化較大、不均勻性嚴(yán)重，彈性模量從1 GPa到15 GPa不等。另外，兩岸壩肩存在較多斷層、巖脈等各種軟弱結(jié)構(gòu)面，在壩與地基的共同作用下，這些軟弱結(jié)構(gòu)面易產(chǎn)生相對滑動，對壩肩穩(wěn)定具有較大影響。壩址區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)面參數(shù)分別見表1、2。

表1 壩址區(qū)巖體力學(xué)性能參數(shù)表

2 有限元計算原理及建模

巖石由于其高抗壓、低抗拉和低抗剪的性能，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征。對巖體材料而言，一般采用材料的非線性有限元法進(jìn)行計算分析[5]。在ANSYS非線性分析中，提供了多種強(qiáng)度準(zhǔn)則，其中適用于巖體材料的為D-P準(zhǔn)則。D-P準(zhǔn)則是Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的近似，并以此來修正Mises屈服準(zhǔn)則。D-P模型是理想的彈塑性模型，按D-P準(zhǔn)則判斷巖體是否進(jìn)入塑性狀態(tài)的判別式為：

(1)

有限元計算中，彈塑性矩陣[Dep]可表達(dá)為：

[Dep]=[De]-[Dp]

(2)

(3)

式中：[De]為彈性矩陣；[Dp]為塑性矩陣；g、φ分別為塑性勢及屈服函數(shù)；A為應(yīng)變硬化參數(shù)根據(jù)三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗成果[6]和其他相關(guān)計算成果[7]，采用以混凝土置換塞和固結(jié)灌漿等為主的措施對大崗山水電站拱壩壩肩巖體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)面進(jìn)行加固處理，加固結(jié)構(gòu)面主要有：右岸f19、f65、f47、f7、f6和左岸f7、β21、f99等，加固范圍主要位于大壩壩基以下2.5～6.8 m；大壩上游順斷層走向3.7～4.9 m；大壩下游順斷層走向3.2～6.1 m。天然地基方案和加固地基方案采用同一個模型(見圖1)，建模方法是建立幾何模型和網(wǎng)格劃分合為一步，再由單元組成模型，模型共計23 091個節(jié)點,21 300個單元。

水庫自動化設(shè)施僅有自計水位計一套，僅能觀測水位。目前還采用原始的雨量筒觀測降雨。水庫不具備洪水預(yù)報、工程監(jiān)控、信息檢索及水庫調(diào)度等現(xiàn)代化應(yīng)用系統(tǒng)，不能實現(xiàn)全局統(tǒng)籌管理，現(xiàn)在仍然沿用老舊的人工處理模式，達(dá)不到精準(zhǔn)、高效的要求。

表2 壩址區(qū)主要結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)表

圖1 三維有限元模型網(wǎng)格圖(加固方案)

3 有限元計算結(jié)果分析

3.1 大壩變位分析

天然地基方案和加固地基方案的三維有限元計算成果表明，壩肩巖體加固前后大壩壩體的變位規(guī)律基本一致，但加固后壩體的變位明顯減小，且高程越高，變位減小的趨勢越明顯。

從橫河向變位來看，加固方案左右兩岸向兩側(cè)山體變位值有了較大幅度的降低。1倍荷載條件下，左、右半拱變位值較加固前分別減少了28.6%和31.2%；5倍荷載條件下，左、右半拱變位值較加固前分別減少了35.4%和33.5%，加固地基對壩體橫河向變位的有利影響隨荷載的加大而越發(fā)明顯，而對左右兩側(cè)壩肩變位影響的程度則基本相當(dāng)。

從順河向變位來看，壩肩加固后對壩體的順河向變位有較為明顯的改善作用，在1倍和5倍荷載情況下，拱冠的變位分別減少了28.5%和29.7%。在1倍荷載條件下，加固地基左、右半拱順河向變位值分別減小了16.5%和21.4%；在5倍荷載條件下，加固地基左、右半拱順河向變位值分別減小了17.6%和 22.5%。由此可見，加固地基對改善壩體的變形情況效果明顯，而加固地基對右壩肩變位的改善作用明顯優(yōu)于左壩肩，這是由于兩岸地質(zhì)情況的差異所導(dǎo)致的。

3.2 巖脈及斷層變位分析

壩肩巖體加固前后，斷層受擠壓而產(chǎn)生變位的趨勢是基本一致的。總體說來，加固地基對改善β43(f6)斷層的效果較為明顯，在1～6倍荷載作用下，其測點變位值減小了29%～46%。其余4條斷層在加固處理后測點變位值變化的情況相差不大。

3.3 壩肩破壞形態(tài)分析

正常工況下，天然地基方案與加固地基方案壩肩均無明顯破壞現(xiàn)象。在超載破壞階段，2種方案均是斷層及巖脈處先出現(xiàn)塑性破壞。天然地基方案破壞區(qū)域擴(kuò)大延伸，而加固地基方案，由于混凝土置換和加密固結(jié)灌漿作用，消除了部分原生地質(zhì)缺陷，因而破壞范圍減小，提高了壩肩抗力體的綜合強(qiáng)度。地基加固后，右岸壩肩抗力體順河向變位降低12.3%～28.2%，橫河向變位降低18.2%～29.1%；左岸壩肩抗力體順河向變位降低13.4%～28.8%，橫河向變位降低5.5%～30.2%。從加固效果上來講，左右岸的加固效果是明顯的，且變位對稱性較好。

3.4 整體安全度分析

壩肩加固前，在Kp=4.0～5.0時，下游壩踵塑性區(qū)向上游擴(kuò)展，右岸擴(kuò)展至β4(f5)，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在左壩肩山體與河谷交匯的坡腳，大壩下游面開始出現(xiàn)貫通的塑性變位，大壩及壩肩巖體整體失去承載能力，大壩開裂破壞，由此得出，在天然地基下，大壩的整體安全度在4.0～5.0之間。

壩肩加固處理后，在Kp=5.0～6.0時，壩踵附近河谷坡腳及β43(f6)、β21上游面附近巖體塑性區(qū)貫通，并向上游逐漸擴(kuò)展至右岸β4(f5)，最大塑性應(yīng)變?nèi)猿霈F(xiàn)在左壩肩山體與河谷交匯的坡腳，但應(yīng)變值明顯減小，此時，大壩下游面開始出現(xiàn)貫通的塑性變位，由此得出，壩肩加固后，大壩的整體安全度在5.0～6.0之間，壩與地基的穩(wěn)定性得到了明顯的提高。2種方案在5倍荷載條件下壩體下游面塑性破壞范圍分別見圖2、3，從圖中可知，壩肩巖體加固后，壩體塑性破壞范圍得到明顯減小。

圖2 5倍荷載時下游壩面塑性破壞范圍圖(加固前)

圖3 5倍荷載時下游壩面塑性破壞范圍圖(加固后)

4 結(jié) 語

通過對大崗山水電站壩肩巖體加固前后穩(wěn)定性的有限元計算分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 在正常工況下，壩肩加固措施對壩體變位的影響相對較小，在2～6倍荷載作用下，隨荷載增大，壩肩加固后壩體變位明顯減小，拱冠部位順河向變位減小效果最為明顯，左右兩岸基本對稱；橫河向變位右岸的加固效果優(yōu)于左岸。

(2) 在荷載作用下，壩肩加固前后巖脈(斷層)受擠壓而發(fā)生變位的趨勢基本一致。加固措施對β43(f6)巖脈(斷層)的變位變化影響相對較大，而對其他4條巖脈(斷層)的影響相對較小，且差別不大。

(3) 從產(chǎn)生塑性破壞的情況看，壩肩加固后壩體的塑性變形區(qū)域明顯減小，且左右兩岸發(fā)生塑性變形的區(qū)域基本對稱。

(4) 從加固前后的整體超載安全系數(shù)分析，加固前超載安全系數(shù)Kp=4.0～5.0，加固后超載安全系數(shù)Kp=5.0～6.0。對比加固前后的計算結(jié)果，采用混凝土置換和加密固結(jié)灌漿相結(jié)合的處理方式對巖脈、斷層進(jìn)行了局部置換，使軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度提高，減小了部分原生地質(zhì)缺陷對壩肩穩(wěn)定的不利影響。加固方案對于改善壩肩巖體的受力條件和變形特征具有較為明顯的效果。

[1] 張林,費文平,李桂林,等.高拱壩壩肩壩基整體穩(wěn)定地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(10)：3465-3469.

[2] 劉林廣.小灣拱壩壩肩穩(wěn)定及加固處理措施研究[D].成都：四川大學(xué),2005.

[3] 龐明亮,唐忠敏,陸欣.錦屏一級水電站拱壩壩肩穩(wěn)定分析及工程措施研究[J].西北水電，2012，(04)：31-35.

[4] 胡波,廖占勇,劉曉麗.小灣特高拱壩蓄水初期壩肩抗力體變形特性研究[J].西北水電，2011，(S1)：38-42.

[5] 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].2版.北京：中國水利水電出版社,1998.

[6] 董建華,謝和平,張林,等.大崗山雙曲拱壩整體穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(10)：2027-2033.

[7] 包祎.大渡河大崗山水電站拱肩槽邊坡穩(wěn)定性研究[D].成都：成都理工大學(xué),2011.

Analysis on Reinforcing Effects of Rockmass in Arch Dam Abutment, Dagangshan Hydropower Project

XIAO Wei

(College of Water Resources and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065，China)

The dam site of Dagangshan Hydropower Project is with the superior geographic advantage of building high arch dam. But the geological tectonics her is complicated. Dike, fractured zone because of extrusion, faults and joint fissures shall be reinforced. By application of ANSYS, the value analysis is respectively performed on the natural foundation and the reinforced foundation in abutment of the Dagangshan arch dam. The analysis shows that the safety factor is 4.0～5.0 in condition of the natural foundation; 5.0～6.0 in condition of the reinforced foundation. This presents that the reinforcement scheme can effectively increase stability and safety of the dam body as well as obviously improve strain and plastic variation range of the dam body, providing design, construction and similar project reinforcement with reference.

Dagangshan Hydropower Station; abutment stability; natural foundation; reinforce foundation; reinforcing effect; analysis

1006—2610(2015)02—0044—04

2014-09-15

肖薇(1991- )，女，廣西柳州市人，碩士研究生，從事水利水電工程研究.

TV642.45

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.011