高混凝土壩變形性態(tài)的庫盤影響分析

許焱鑫鄭東健趙二峰劉何稚

（1.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098；3.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098）

高混凝土壩變形性態(tài)的庫盤影響分析

許焱鑫1，2，3，鄭東健1，2，3，趙二峰1，2，3，劉何稚1，2，3

（1.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098；3.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098）

在研究有限元模型邊界確定方法的基礎(chǔ)上，通過建立庫盤大范圍和近壩區(qū)小范圍2種尺度有限元模型，并由庫盤模型變形計算結(jié)果提取近壩區(qū)模型的邊界條件，提出高混凝土壩變形性態(tài)的庫盤影響分析方法，分析庫盤變形對大壩變形性態(tài)的影響。典型實際工程計算結(jié)果表明，高壩大庫工程，庫盤作用對大壩變形影響明顯，尤其壩前大庫容工程在應(yīng)用實測資料分析混凝土壩運行性態(tài)、反分析結(jié)構(gòu)力學參數(shù)和變形監(jiān)控指標時，應(yīng)該考慮庫盤變形的影響，以確保充分掌握大壩運行性態(tài)，有效監(jiān)控大壩的安全運行。

高混凝土壩；大型水庫工程；庫盤變形；壩體變形；變形性態(tài)；有限元模型；建模方法

近年來，我國出現(xiàn)了一批已建或在建的超高混凝土壩，如178m高的龍羊峽水電站大壩、240m高的二灘水電站大壩、285.5m高的溪洛渡水電站大壩、289 m高的白鶴灘水電站大壩、295 m高的小灣水電站大壩以及305m高的錦屏一級水電站大壩。此類工程壩高庫大，上游水庫巨大的水壓力不可避免地會造成庫盤變形。龍羊峽水電站工程的監(jiān)測資料［1］表明，在蓄水過程中，壩體有向上游傾倒的變形現(xiàn)象，監(jiān)測到的向上游最大水平位移達16 mm；小灣水電站工程蓄水階段的庫區(qū)沉陷觀測資料［2］也反映出壩址上游最大沉降35mm、下游最大抬升2.7mm的變形現(xiàn)象。庫盤變形是由上游巨大水體的自重引起的，它造成壩基往上游的轉(zhuǎn)動，使壩體產(chǎn)生向上游的傾倒變形。在實際工程中，常缺乏對庫盤變形的監(jiān)測和分析；在利用有限元方法分析結(jié)構(gòu)性態(tài)時，也只是考慮壩體應(yīng)力在基礎(chǔ)內(nèi)的影響區(qū)域，經(jīng)驗上取2～3倍壩高作為壩體上游側(cè)的計算范圍，對庫盤變形的影響考慮不足，壩體變形的計算結(jié)果往往明顯大于實際的測量值，這對低壩小庫工程影響較小，可以滿足要求。對高壩大庫，應(yīng)用變形實測資料進行壩體、壩基參數(shù)反分析，其結(jié)果常不符合客觀實際，擬定出來的變形監(jiān)控指標會偏大，這對監(jiān)控大壩的安全運行不利。因此，對高壩大庫工程，分析庫水對庫盤的作用及其對大壩變形的影響，對準確把握大壩變形性態(tài)、有效監(jiān)控大壩安全有十分重要的意義［3?4］。

目前國內(nèi)外對庫盤變形的影響監(jiān)測和分析較少，國內(nèi)僅有極少數(shù)工程開展了庫盤變形的監(jiān)測工作［1?2］，對庫盤變形的一般性規(guī)律做出了總結(jié)。吳中如等［3］、顧沖時等［5?8］提出了考慮庫盤作用下壩體、壩基和庫盤參數(shù)反演的確定性模型方法，探討了混凝土壩空間位移場的正反分析模型，并對有限元分析精度的影響因素進行了研究；熬麟［9］探討了重力壩有限元分析中應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件的考慮方法；黃耀英等［10?11］將水庫地基簡化為半無限體，推導(dǎo)了地基的位移和應(yīng)力，研究模型合理的建模范圍與邊界約束方式；Zhao等［12?13］通過建立各種形式的庫盤模型，對庫盤變形的影響因素進行了初步研究。國外對庫盤變形問題研究尚未見相關(guān)的研究成果發(fā)表。本文在研究模型范圍確定方法的基礎(chǔ)上，通過建立大范圍庫盤和小范圍近壩區(qū)2種尺度有限元模型，提出高混凝土壩庫盤變形影響的分析方法，分析庫盤作用對混凝土壩變形性態(tài)的影響。

1 高混凝土壩庫盤變形影響的有限元模型建立

對于高壩大庫工程，水庫淹沒的范圍向上游常達到幾十千米甚至上百千米，相比而言，壩體是其中的一個細微結(jié)構(gòu)。本文通過建立庫盤的大尺度模型和近壩區(qū)的小尺度模型，采用線彈性有限元方法，聯(lián)合分析庫盤變形對高混凝土壩變形性態(tài)的影響，其過程大致可分為2個步驟：首先，對大范圍的庫盤有限元模型施加庫水壓力，得到庫盤變形的位移場；然后，對近壩區(qū)的有限元模型施加庫盤變形的邊界條件，計算庫盤變形對壩體變形的影響。

1.1 庫盤有限元分析模型的構(gòu)建

1.1.1 建模范圍的確定

為計算得到準確的庫盤變形，首先需要確定庫盤合理的建模范圍，包括模型的上游范圍、下游范圍、基礎(chǔ)深度范圍、左岸和右岸范圍5個部分。對這些范圍的合理取值需要通過多次試算來確定：在建模過程中，逐步擴大其中某一項邊界的范圍，同時將其余邊界的范圍取得足夠大，通過多次試算得到壩體特征點位移隨該項邊界范圍的變化關(guān)系，當位移值出現(xiàn)收斂或不受邊界條件類型的影響時，即認為模型邊界已達到了合理的范圍。

1.1.2 地質(zhì)條件的簡化

庫區(qū)范圍廣闊，其中的地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造往往十分復(fù)雜，難以對地質(zhì)條件進行真實、詳盡的模擬。對地質(zhì)條件進行簡化時，考慮在水平范圍內(nèi)將庫盤按照主要的地質(zhì)分區(qū)劃分，在深度方向?qū)⒒鶐r按照主要的地質(zhì)分層劃分，同時考慮庫區(qū)范圍內(nèi)重要的地質(zhì)構(gòu)造、大的斷層和破碎帶，以模擬其對庫盤整體變形的截斷作用。各地質(zhì)分區(qū)的材料參數(shù)可參考庫區(qū)的勘測資料；庫區(qū)深層基巖的地勘工作不足時，可利用庫區(qū)沉降的實測結(jié)果進行反演，或者參照其他地質(zhì)條件相近工程的成果，利用巖石參數(shù)隨地基深度變化的關(guān)系曲線外延得到。

1.1.3 單元尺寸的選擇

在建立大尺度的庫盤模型時，因受計算規(guī)模限制，壩體和基礎(chǔ)不可能剖分得很密；同時，模型中與壩體和河床不同距離處的地形條件也應(yīng)滿足不同的模擬精度。河床部分因直接受水荷載作用，其模擬精度對計算結(jié)果的準確性影響較大，所以在距離河床一定范圍內(nèi)采用尺寸相對較小的單元，邊長可取100～200 m；在遠離河床時，逐漸擴大單元的尺寸，以減少模型的單元數(shù)量，提高有限元計算的效率。

1.1.4 邊界及荷載的施加

在庫盤模型的底邊界施加固定約束，其余邊界施加法向約束，荷載考慮庫盤中水體的自重，將其以面力［9，14］的形式施加于河床部分的單元，計算得到水體自重產(chǎn)生的庫盤變形。

1.2 近壩區(qū)有限元分析模型的構(gòu)建

為準確分析庫盤作用對壩體變形的影響，需要對近壩范圍的地形、地質(zhì)條件和壩體結(jié)構(gòu)進行細致的模擬，此時近壩區(qū)模型的邊界范圍根據(jù)工程經(jīng)驗選定，最小范圍為上游取2倍壩高、左右岸取1倍壩高、下游取1倍壩高、基礎(chǔ)深度取2倍壩高。按照獲取近壩區(qū)模型邊界條件的不同方式，單元劃分的方法可分為2種，如圖1所示（其中粗實線表示近壩區(qū)模型的邊界，實線網(wǎng)格為近壩區(qū)模型單元，虛線網(wǎng)格為庫盤模型單元）。可見近壩區(qū)模型邊界節(jié)點與庫盤模型節(jié)點的銜接可采用2種方法實現(xiàn)：一是通過不斷細分網(wǎng)格達到細致地模擬近壩區(qū)結(jié)構(gòu)的目的，此時近壩區(qū)模型邊界條件即為庫盤模型相應(yīng)節(jié)點的變形；二是近壩區(qū)模型的邊界條件可以利用庫盤變形的計算結(jié)果在邊界節(jié)點上插值得到。為提高建模效率和模擬精度，本文采用第2種方法建立近壩區(qū)有限元模型，將庫盤變形的邊界條件施加于近壩區(qū)模型的邊界節(jié)點上，計算得到壩體在庫盤作用下產(chǎn)生的變形。

2 工程實例

為對比不同水庫庫型下庫盤變形的影響，以2座典型的高混凝土壩工程為例進行計算分析。

工程1位于我國西南部地區(qū)，為一雙曲拱壩，最大壩高295m，壩體布設(shè)有垂線測點和溫度計，正常蓄水位1240m時水庫總庫容150億m3。水庫在壩前2km左右分為東、西2支，東支庫長123km，西支庫長178km。水庫兩岸山勢陡峻，河谷深切，自然山坡坡度一般為30°～45°，呈V形河谷。工程2位于我國西北部地區(qū)，為一重力拱壩，最大壩高178m，壩體內(nèi)布設(shè)了垂線測點。正常蓄水位2600m時水庫總庫容247億m3，水庫運行期間尚未達到該正常蓄水位。水庫庫長101km，水面面積383km2。壩前峽谷呈V形，水庫向上游迅速拓寬，最大水面寬度9km。

2.1 有限元模型

利用庫區(qū)和近壩范圍的地形、地質(zhì)資料，根據(jù)建模的方法和原則，分別建立了2個工程的大范圍庫盤和近壩區(qū)的有限元模型，如圖2和圖3所示。工程1的庫盤模型：在靠近壩體和河床的一定范圍內(nèi)，單元剖分較密，單元尺寸為100～200m，其他區(qū)域的單元尺寸逐漸過渡至800m；庫區(qū)分為4個地質(zhì)分區(qū)，沿基礎(chǔ)深度方向分為4個地質(zhì)分層；模型的建模范圍，上游取44km，下游取21km，左岸取40km，右岸取50km，深度取11km，以地基深度為例，正常蓄水位下壩頂最大順河向變形隨地基深度的變化如圖4所示，深度取11km時對應(yīng)的變形增幅為4%，可認為變形達到收斂，故將模型的深度范圍取為11km。工程2的庫盤模型：單元尺寸從近壩一定范圍內(nèi)的50～100m逐漸過渡至遠壩范圍的800m；庫區(qū)分為3個地質(zhì)分區(qū)，沿基礎(chǔ)深度方向分為3～4個地質(zhì)分層；模型的建模范圍，上游取70km，下游取17km，左岸取16km，右岸取20km，深度取10km。

2.2 庫盤作用的影響分析

除水壓荷載外，溫度荷載也是影響拱壩變形的重要因素，因此對正常蓄水位+溫升荷載工況下的壩體變形進行分析，其中工程1溫度荷載根據(jù)正常蓄水位下相應(yīng)的實測溫度場獲得，工程2的溫度荷載取原設(shè)計時的溫升荷載。首先對庫盤模型施加最高水位下的水壓荷載，進行庫盤變形計算；然后應(yīng)用近壩區(qū)模型進行壩體位移計算，近壩區(qū)模型邊界節(jié)點位移值由庫盤模型計算結(jié)果插值得到。分別計算了考慮與不考慮庫盤作用時的壩體變形，獲得拱冠梁壩段垂線測點的徑向位移，并與實測值進行對比，見表1。因工程2未達到正常蓄水位，且缺少實際溫度場的監(jiān)測資料，故分析庫盤變形影響程度時，以考慮庫盤作用時的計算值代表變形的真實值。

由表1可以看出，庫盤作用使壩體產(chǎn)生向上游的傾倒變形，對兩座拱壩的拱冠梁壩段位移影響分別為1.26～6.85 mm、2.79～10.73 mm?？紤]庫盤變形的影響后，工程1壩體測點位移的計算值更接近實測值。庫盤變形對大壩位移的影響，工程1壩基以上部位在5%左右，壩基部位超過 10%；工程2均在40%左右。可見，對于壩前水面開闊、水體自重集中于壩前的工程，庫盤變形的影響明顯。在利用實測資料反演壩體、壩基力學參數(shù)，擬定相應(yīng)變形監(jiān)控指標時，考慮庫盤變形影響的分析結(jié)果將更符合實際情況。

3 結(jié) 論

a.庫盤作用使壩體產(chǎn)生向上游的傾倒變形，對于庫容較小、河道細長的工程，因壩前水量有限，庫盤的影響較??；而對于壩前庫容較大、河道寬闊的工程，因大量的水荷載集中于壩前，庫盤對混凝土壩變形的影響明顯。在利用實測資料進行參數(shù)反分析和擬定變形安全監(jiān)控指標時，應(yīng)考慮庫盤變形的影響。

b.通過建立大范圍庫盤和小范圍近壩區(qū)2種尺度的有限元模型，可以分析混凝土壩變形受庫盤變形的影響程度。實例分析表明，考慮庫盤變形的分析成果與實測資料更加吻合。

c.對于高壩大庫工程，庫盤的作用影響較大，但大范圍庫盤有限元模型的力學參數(shù)不易得到，布置一定數(shù)量的庫盤變形監(jiān)測點將有利于反演庫盤綜合力學參數(shù)，分析庫盤對大壩變形的影響。

［1］西北勘測設(shè)計研究院.龍羊峽水電站工程變形監(jiān)測資料綜合分析報告［R］.西安：西北勘測設(shè)計研究院，2014.

［2］昆明勘測設(shè)計研究院.小灣水電站工程庫盤水準沉降分析報告［R］.昆明：昆明勘測設(shè)計研究院，2013.

總的來說，為了能改變當前的體育與健康教育的尷尬現(xiàn)狀，提高學生在體育活動中主動參與的積極性，增強初中生的身體素質(zhì)，學校老師需要將體育與健康教學模式和思路進行不斷地探索與創(chuàng)新，從而為學生的健康成長創(chuàng)造良好的教學環(huán)境。

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Effect of reservoir basin on deformation behavior of high concrete dam

XU Yanxin1，2，3，ZHENG Dongjian1，2，3，ZHAO Erfeng1，2，3，LIU Hezhi1，2，3
（1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.State Key Laboratory of Hydrology?Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Hohai University，Nanjing 210098，China）

FEM models of two different scales，including the reservoir basin and near?dam area，were established based on study of the method for determining the model boundaries.By extracting the boundary condition of the near?dam area model from deformation results of the reservoir basin model，a reservoir basin effect analysis method is proposed to study the effect of reservoir basin deformation on the deformation behavior of high concrete dams.Calculated results of a typical project show that reservoir basin deformation has a significant effect on the deformation of a high concrete dam with a large reservoir capacity.In the study of the operational performance and back analysis of mechanical parameters and deformation monitoring indices of high concrete dams with measured data，especially for the project with a wide area of water surface in front of it and a large reservoir capacity，the effect of reservoir basin deformation should be taken into consideration so as to fully understand the operational performance of dams，and effectively monitor the dam operation in safe conditions.

high concrete dam；large reservoir project；reservoir basin deformation；dam deformation；deformation behavior；FEM model；modeling method

TV314；TV642.1

A

1000-1980（2015）04-0319-005

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.007

2014-1104

國家自然科學基金（51279052，51139001，2014513311）；水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室研究項目（20145028312）；江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”科研項目（2016?B1307101）

許焱鑫（1989—），男，江蘇南京人，博士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控研究。E?mail：hhu.xyx＠163.com