豐滿水庫新壩施工對(duì)舊壩抗滑穩(wěn)定的影響

程漢昆，宋兵偉（.大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧大連60；.大連市水利建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 60）

豐滿水庫新壩施工對(duì)舊壩抗滑穩(wěn)定的影響

程漢昆1，宋兵偉2
（1.大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧大連116021；2.大連市水利建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116021）

采用有限單元法實(shí)施豐滿大壩新壩壩基開挖及壩體澆筑施工，對(duì)舊壩抗滑穩(wěn)定性影響進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。選取了新壩施工期間對(duì)舊壩最不利的壩段，并將此壩段作為典型壩段，分析其遭遇不同頻率洪水時(shí)的抗滑穩(wěn)定性，得出新壩壩基開挖及壩體澆筑施工，對(duì)舊壩抗滑穩(wěn)定性影響不大的結(jié)論。

抗滑穩(wěn)定；有限單元法；重力壩；豐滿水庫

0　前言

豐滿水電站全面治理工程新壩軸線位于原大壩軸線下游120.0 m處，壩型采用碾壓混凝土重力壩，壩頂高程為269.5 m，泄洪方式采用壩身泄洪，挑流消能。新壩建成后，引水發(fā)電和泄洪壩段對(duì)應(yīng)的老壩部分，拆除至高程240.0 m。

采用有限單元法實(shí)施豐滿大壩新壩壩基開挖及壩體澆筑施工，對(duì)老壩抗滑穩(wěn)定性影響進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析其遭遇不同頻率洪水時(shí)，老壩典型壩段的抗滑穩(wěn)定性，從而為工程施工及類似工程建設(shè)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及理論支撐。

1　計(jì)算模型與計(jì)算荷載

1.1計(jì)算模型

采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析，以某溢流壩段作為典型壩段建立三維有限元模型。計(jì)算模型取一定范圍地基，在地基豎直邊界和底面均采用固定約束。三維坐標(biāo)方向如下：X向以順河向指向下游為正；Y向以豎直向上為正；Z向沿壩軸線方向由左岸指向右岸為正。

1.2計(jì)算荷載與力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［2，3］規(guī)定，荷載分別考慮新壩在施工前、基坑開挖、澆筑至原地面線、澆筑至220.0 m高程處及澆筑至240.0 m高程處五種情況下的組合。

對(duì)于豐滿老壩的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，選取正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位三種工況進(jìn)行安全復(fù)核，荷載組合如表1所示。

表1　計(jì)算工況及荷載組合

新壩施工期老壩水位情況見表2。由于正常蓄水位時(shí)，下游有圍堰存在故對(duì)應(yīng)下游無水。

表2　新壩施工期老壩水位情況

典型壩段壩體材料分區(qū)見圖1。有限元計(jì)算時(shí)，根據(jù)壩體材料物理力學(xué)指標(biāo)及工程地質(zhì)勘察報(bào)告選取力學(xué)參數(shù)，具體見表3［4］。

表3　力學(xué)參數(shù)

抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)采用的壩體混凝土與基巖之間抗剪斷參數(shù)：f′=1.0，c′=0.9 MPa；深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)采用的巖石與巖石抗剪斷參數(shù)：f′=1.0，c′= 1.1 MPa。

圖1　某溢流壩段剖面及材料分區(qū)

2　抗滑穩(wěn)定計(jì)算原理

2.1剛體極限平衡法［1］

剛體極限平衡法是目前廣泛應(yīng)用于壩基巖體抗滑穩(wěn)定分析且被重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范所推薦的一種方法。該方法先假定某一滑動(dòng)面，將滑移面上的各塊基巖及壩體視為剛體，然后根據(jù)滑移體上靜力平衡這一條件，對(duì)滑動(dòng)塊體的安全度作籠統(tǒng)的整體分析。剛體極限平衡法又分為抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式及抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。（SL319-2005）《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］中抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式：式中各符號(hào)意義詳見規(guī)范［2］。

抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：式中各符號(hào)意義詳見規(guī)范［2］。

（DL5108-1999）《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］中采用的分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式，實(shí)質(zhì)意義與上述公式一致。

2.2有限單元法［5］

有限單元法是利用彈性理論和計(jì)算機(jī)軟件求解數(shù)值方程的一種數(shù)值分析方法，也是解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者多自由度體系等工程實(shí)際問題一種非常有效的計(jì)算工具。有限元分析中最基本的思想是單元離散，即將復(fù)雜的連續(xù)體結(jié)構(gòu)剖分為數(shù)量和尺寸有限的若干單元，然后就各單元進(jìn)行分析，最后集成求解整體位移。

利用有限單元法對(duì)重力壩進(jìn)行抗滑穩(wěn)定評(píng)價(jià)時(shí)，可以通過抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)來體現(xiàn)。的定義借鑒一般剛體極限平衡法中安全系數(shù)的定義，即

式中：τi，σi分別為滑動(dòng)面上第i個(gè)單元的剪應(yīng)力和正應(yīng)力；fi′，ci′分別為滑動(dòng)面上第i個(gè)單元材料抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)；li為第i個(gè)單元沿滑動(dòng)方向長(zhǎng)度；n為滑動(dòng)面上單元個(gè)數(shù)。

3計(jì)算結(jié)果與分析3.1沿建基面的抗滑穩(wěn)定性分析

表4給出了新壩基坑開挖及壩體澆筑施工前、施工期和施工后老壩沿建基面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果。分別采用了剛體極限平衡法和有限單元法計(jì)算老壩沿建基面的抗滑穩(wěn)定性。

表4　老壩沿建基面抗滑穩(wěn)定安全性復(fù)核計(jì)算成果

由計(jì)算結(jié)果可知，老壩在新壩各施工階段遭遇不同頻率洪水時(shí)，沿建基面的抗滑穩(wěn)定均可滿足安全要求。施工期相對(duì)于施工前老壩壩基穩(wěn)定安全度變化不大。另外，通過剛體極限平衡法和有限單元法計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，采用剛體極限平衡法設(shè)計(jì)更為保守。

3.2沿下游基坑開挖底面的抗滑穩(wěn)定性分析

在實(shí)際施工中，有可能在建基面以下與基坑開挖底面平齊的巖石層面，形成深層滑動(dòng)，從而危及老壩的安全。因此進(jìn)一步分析了沿基坑開挖底面巖石層面的抗滑穩(wěn)定性。

表5給出了考慮基坑開挖影響下沿基巖內(nèi)部可能滑裂面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

由計(jì)算結(jié)果可知，考慮新壩基坑開挖影響后，沿與基坑底面平齊的可能滑裂面抗滑穩(wěn)定性仍可滿足要求。

表5　新壩基坑開挖后老壩基巖面抗滑穩(wěn)定安全性復(fù)核計(jì)算成果

4　結(jié)語

1）在不考慮新壩施工對(duì)老壩防滲體系影響的前提下，豐滿水庫新壩施工各階段，老壩在遭遇不同頻率洪水時(shí)沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全均可滿足要求。

2）豐滿水庫新壩施工期相對(duì)于施工前老壩沿建基面抗滑穩(wěn)定安全度變化不大。

3）考慮豐滿水庫新壩施工基坑開挖后沿基坑底面可能滑裂面的抗滑穩(wěn)定安全度較高，滿足要求。

4）豐滿水庫新壩基坑開挖及壩體混凝土澆筑對(duì)老壩抗滑穩(wěn)定性影響不大。

［1］潘家錚.重力壩設(shè)計(jì)［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［2］中華人民共和國(guó)水利部.SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

［3］國(guó)家電力公司華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，水利部，國(guó)家電力公司上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院.DL5108-1999混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)電力出版社，1999.

［4］楊清平，李俊杰.重力壩沿建基面抗滑穩(wěn)定的研究［J］.東北水利水電，2011，（10）：43-45.

［5］溫中華，周娟，熊秋曉.重力壩抗滑穩(wěn)定分析［J］.人民黃河，2008，30（12）：112-113.

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