傳力洞在拱壩壩肩加固中的應(yīng)用研究—以葫蘆口水電站為例

謝中凱，葉居?xùn)|

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江大學(xué)水工結(jié)構(gòu)與水環(huán)境研究所，浙江 杭州 31005 8）

傳力洞在拱壩壩肩加固中的應(yīng)用研究—以葫蘆口水電站為例

謝中凱1，葉居?xùn)|2

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江大學(xué)水工結(jié)構(gòu)與水環(huán)境研究所，浙江 杭州 31005 8）

拱壩壩肩地質(zhì)條件對拱壩的正常運行至關(guān)重要，拱壩失事很少是由于拱壩自身問題引起，大部分是由壩肩失穩(wěn)造成的。在拱壩基礎(chǔ)較差的情況下，傳力洞是一種有效的加固措施。目前，傳力洞已廣泛運用于壩肩處理中，但是其研究明顯落后于應(yīng)用。因此，研究復(fù)雜地質(zhì)條件下拱壩壩肩的穩(wěn)定意義重大。以葫蘆口水電站為研究對象，依據(jù)有限元分析軟件ANSYS計算結(jié)果，使用剛體極限平衡法驗證傳力洞對拱壩壩肩的增穩(wěn)效果，認為傳力洞能夠改善拱壩的受力情況，并提升壩肩基巖的穩(wěn)定性。

拱壩壩肩處理；傳力洞；三維有限元分析；壩肩穩(wěn)定

1 問題的提出

拱壩是一種經(jīng)濟合理而且安全的壩型，因其材料節(jié)約、超載能力強，在水利工程中越來越多的被建造。我國西南地區(qū)就有幾座在建或已建的世界級高拱壩，如小灣、溪洛渡、二灘拱壩等。拱壩受力機制主要是通過拱的作用將荷載傳遞到兩岸壩肩巖體，壩肩巖體的穩(wěn)定性便成為保障拱壩整體安全度的重要因素[1]。絕大多數(shù)失穩(wěn)或破壞的拱壩中，純粹破壞于壩身者較少見，更多的破壞或嚴重事故，往往因拱壩基礎(chǔ)問題引起。拱壩基礎(chǔ)處理應(yīng)根據(jù)實際工程地質(zhì)地形情況，選用合適的方法。當壩肩存在大面積軟弱破碎帶時，增設(shè)傳力洞通常是一種有效的工程措施。

本文將研究分析傳力洞對拱壩壩肩的增穩(wěn)效果，結(jié)合2種不同的工況，分別在增設(shè)傳力洞前后使用ANSYS軟件進行三維有限元分析計算，并結(jié)合傳統(tǒng)的剛體極限平衡法對計算結(jié)果進行后處理，最終比較有無傳力洞對拱壩穩(wěn)定的影響。

2 計算方法

目前，對抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計算工程中通常采用剛體極限平衡法[2]。袁志剛等[3-5]認為該方法沒有考慮材料的本構(gòu)關(guān)系，不能很好地反映壩肩巖體的破壞機理，推薦使用三維非線性有限元法分析巖體的抗滑穩(wěn)定情況。張宜虎等[6]將這2個方法進行比較，詳述了各自的優(yōu)缺點。由于剛體極限平衡法原理簡單明確，并且有著長期的實踐經(jīng)驗和一套穩(wěn)定的評判標準，而三維有限單元法所得的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有別于剛體極限平衡法，評判指標還未成熟；并且SL 282 — 2003《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，拱座抗滑穩(wěn)定的數(shù)值計算方法，以剛體極限平衡法為主，1、2級拱壩或地質(zhì)情況復(fù)雜的拱壩還應(yīng)輔以有限元法或其他方法進行分析。故本文依據(jù)三維有限元方法計算得到拱端力系，然后在后處理時使用剛體極限平衡法計算壩肩巖體穩(wěn)定。按照剛體極限平衡法，采用抗剪斷公式：

式中：Kfc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣN1為垂直于側(cè)滑面的法向力（扣除揚壓力），N；ΣN2為垂直于底滑面的法向力（扣除揚壓力），N；ΣT為沿滑動方向的滑動力，N；A1為側(cè)滑面的面積，m2；A2為底滑面的面積，m2；f1′為側(cè)滑面加權(quán)平均抗剪斷摩擦系數(shù)；f2′為底滑面加權(quán)平均抗剪斷摩擦系數(shù)；c1′為側(cè)滑面加權(quán)平均凝聚力，MPa；c2′為底滑面加權(quán)平均凝聚力，MPa。

3 工程實例

本文以葫蘆口水電站為例，分析計算傳力洞的增穩(wěn)效果。葫蘆口水電站位于云南省德宏州梁河縣境內(nèi)的大盈江左支南底河上。該工程采用拋物線雙曲變厚拱壩，壩體材料為C15混凝土。壩頂高程1 016.00 m，防浪墻頂高程1 017.20 m，壩底高程978.00 m，最大壩高38.00 m。拱壩壩頂厚度3.00 m，拱壩底厚8.24 m，拱壩厚高比0.22，壩頂中心線弧長110.0 m，弧高比2.88。工程規(guī)模為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級。

由于左岸壩肩中部高程發(fā)育有順河向的陡傾斷層帶，為防止拱端推力作用下該斷層帶發(fā)生較大的壓縮變形或蠕變變形，進而對壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，在左壩肩中部略偏下高程位置設(shè)置1個傳力洞，將拱端推力傳至基巖深部，以確保大壩安全。傳力洞的洞口中心高程為993.00 m，洞長30.00 m，洞身斷面為4 m(寬)×5 m（高）城門洞形，傳力洞的洞口處以1∶3坡度漸變?yōu)? m(寬)×7 m(高)。洞身按1∶4的坡度向下傾斜，洞軸線與拱壩上、下游軸線在平面上投影的夾角為36°。傳力洞回填混凝土強度采用C20。

3.1 有限元模型

利用ANSYS軟件建立有限元模型見圖1，坐標原點位于壩軸線與壩頂上游面拱圈線的交點處，X軸水平指向右岸，Y軸豎直向下，Z軸水平指向河流下游方向。壩基的選取為：向上游取1.0倍壩高，向下游取1.5倍壩高，以頂拱拱端為基準，向左右岸方向各取1.0倍壩高，建基面以下取1.0倍壩高。模型采用SOLID45單元，即八節(jié)點等參單元，除傳力洞及其周邊基巖采用退化的四面體單元外，模型其余部分全部采用六面體單元。

圖1 有限元計算模型圖

3.2 材料參數(shù)與荷載組合

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，有限元計算所取參數(shù)見表1。

表1 模型的物理力學(xué)參數(shù)表

計算時只考慮對壩體施加溫度荷載，因此，其余部分熱脹系數(shù)不再給出。三維有限元分析時，取2個計算工況驗證傳力洞的增穩(wěn)效果。

工況Ⅰ：正常蓄水位+泥沙壓力+自重+溫降

工況Ⅱ：校核洪水位+泥沙壓力+自重+溫升

正常蓄水位1 014.68 m，校核洪水位1 015.62 m，淤沙高程995.00 m，河床高程978.00 m。

3.3 壩體應(yīng)力和位移計算成果

根據(jù)2個不同工況的計算結(jié)果，分別從應(yīng)力、位移和穩(wěn)定等方面去評價傳力洞對壩肩的增穩(wěn)效果，從而全面地評價拱壩的安全性。

在計算結(jié)果中，選取幾個有代表性的指標體現(xiàn)壩體的安全性（見表2）。其中，Dmax為最大的河流方向（Z軸）位移(mm)，正號表示順河向，負號表示逆河向；S1為最大主拉應(yīng)力(MPa)；S3為最大主壓應(yīng)力(MPa)。

表2 壩體應(yīng)力、位移結(jié)果表

從表2中可以看出，傳力洞的增加使得壩體的拉應(yīng)力水準以及順河向最大位移有所降低，這是有利于壩體安全的。值得注意的是，在工況Ⅱ的計算結(jié)果中，位移將會出現(xiàn)2個最大值，分別為下游方向和上游方向。這是因為該工況是溫升情況，溫度荷載在壩頂位置造成的逆河向位移大于水荷載在該位置的順河向位移，因此，壩體頂部位移將會偏向上游，為負值；而壩體中下部，情況正好相反，該位置的位移偏向下游，為正值。

3.4 壩肩穩(wěn)定分析

本文在進行穩(wěn)定分析時，采用分層小塊體方法。壩肩穩(wěn)定的計算過程中，滑動力主要是由順河向拱端力Fz提供的，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對Fz的變化亦很敏感。因此，傳力洞在壩肩穩(wěn)定的貢獻上，F(xiàn)z的大小將是一個直觀而重要的指標。根據(jù)之前劃分的單元網(wǎng)格形狀，將拱壩由壩頂至壩底分為14層，計算統(tǒng)計左拱端各層順河向力Fz的大小（見圖2）。

圖2 有無傳力洞時Fz對比圖

根據(jù)圖2可知，在2種工況下，增設(shè)傳力洞之后，第8、9兩層的順河向推力Fz明顯大于未增設(shè)傳力洞時的順河向推力，而其他層的順河向推力則稍小于未設(shè)傳力洞的情況。傳力洞的出口位于8 ～ 10層，在工況Ⅰ下，增設(shè)傳力洞之后，這3層承載了拱壩左端38.7%的順河向推力Fz，而未設(shè)傳力洞時，該數(shù)值降低為28.2%；在工況Ⅱ下，這一數(shù)字分別為32.5%和23.0%。這說明，傳力洞的作用非常明顯，承擔了大部分的拱端推力，同時也降低了壩肩基礎(chǔ)承受的拱端推力。

壩肩穩(wěn)定計算荷載主要有拱端力系、可能滑動巖體自重以及相應(yīng)的揚壓力。根據(jù)地質(zhì)工程情況，限定左壩肩的側(cè)滑面與結(jié)構(gòu)面走向一致（NE30° ～ 50°），底滑面為水平面。各層側(cè)滑面與底滑面的抗剪斷系數(shù)按照高程的不同取值見表3。

表3 左壩肩地基抗剪斷系數(shù)表

滑移體與壩軸線夾角從1° ～ 66°，每次遞加5°，分別量取塊體體積，底滑面面積，有效側(cè)滑面面積，忽略上下塊體之間的相互作用，這樣使得計算結(jié)果偏于安全，計算某一層中各個角度的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，找到其最小值，即是最危險狀況?？赡芑企w揚壓力的計算參考文獻[7]提供的方法。如前所述，左拱端每一層對應(yīng)1個滑移體的安全穩(wěn)定計算，具體結(jié)果見圖3。

圖3 有無傳力洞時Kfc對比圖

從圖3中可以看出，增設(shè)傳力洞之后，總體上，壩肩各層的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)相比沒有傳力洞的情況都有所提高。在工況Ⅰ（基本組合）下，未設(shè)傳力洞時，第7、10兩層的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均低于規(guī)范要求（3.0），分別為2.9和2.4，而增設(shè)傳力洞之后，該層的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均達到了規(guī)范設(shè)計值，分別為3.3和3.1；在工況Ⅱ（特殊組合）下，未設(shè)傳力洞時，第10層的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)高于規(guī)范要求（2.5），為2.8，而增設(shè)傳力洞之后，該系數(shù)提升為4.2。值得注意的是，工況Ⅰ下，第7、10兩層滑移體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在增設(shè)傳力洞之后雖然已滿足要求，但是該值較未增設(shè)傳力洞時提高不明顯，而且安全裕度不大。這主要是因為這2層滑移體分別與傳力洞洞口毗鄰或交接，難以確定傳力洞或其周邊混凝土材料對滑移體抗剪斷系數(shù)的改善，而計算穩(wěn)定時仍然使用表3中的抗剪斷系數(shù)導(dǎo)致，屬于偏安全做法。

4 結(jié) 語

本文基于三維有限元和傳統(tǒng)的剛體極限平衡方法，對拱壩壩肩在不同工況下增設(shè)傳力洞前后進行了應(yīng)力、位移以及穩(wěn)定分析和計算，計算成果符合規(guī)范設(shè)計要求。計算表明，增設(shè)傳力洞之后，壩體的最大主拉應(yīng)力水平有所降低，壩體變形也較之前減小，壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也相應(yīng)提高。

[1] 王毓泰，周維垣，毛健全，等．拱壩壩肩巖體穩(wěn)定分析[M]．貴陽：貴州人民出版社，1982．

[2] 潘家錚．建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析[M]．北京：水利水電出版社，1980．

[3] 袁志剛，馬連軍，鐘秀靈．混凝土拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定三維非線性有限元分析[J]．人民長江，2010，41(2)：9 - 27．

[4] 章青，陳愛玖，王大偉．基于非線性有限元法的高拱壩壩肩巖體抗滑穩(wěn)定分析[J]．水利學(xué)報，2007，38(S1)：84 - 87．

[5] 馬連軍，鐘秀靈，梁慧蘭．復(fù)雜地基上混凝土拱壩三維非線性有限元穩(wěn)定分析[J]．水電能源科學(xué)，2010，28(4)：75 - 77．

[6] 張宜虎，尹紅梅，王亮清．魚簡河拱壩壩肩巖體穩(wěn)定性分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(18)：3305 - 3310．

[7] 田儒琴．拱壩壩肩巖體重量和滲透壓力計算的探討[J]．湖南水力發(fā)電，2007，(3)：8 - 11．

（責任編輯 郎忘憂）

Application Research of Arch Dam Abutment Reinforcement Using Concrete Plug— A Case Stnely of Hulukou Hydropower Station

XIE Zhong - kai1，YE Ju - dong2
(1.Zhejiang Institute of hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China；2. Institute of Hydro - Structure and Water Environment Research，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China)

Geological conditions of the dam abutment are very important to the normal operation of the arch dam，the arch dam accidents are rarely due to their own problems，they are mostly caused by the instability of the dam abutment.In the case of poor dam foundation，concrete plug will be an effective reinforcement method.At present，concrete plug has been widely used，but the research on it is far behind the application.Therefore，the study on the stability of arch dam abutment under complicated geological conditions would be of great signif i cance.In this paper，based on the results of Hulukou hydropower station calculated by fi nite element analytical software ANSYS，the rigid limit equilibrium method is applied to testify the effect of concrete plug on arch dam.The result shows that concrete plug could improve the force situation of arch dam and the stability of dam abutment.

arch dam abutment treatment；concrete plug；3D fi nite element analysis；stability of dam abutment

TV122+.1

A

1008 - 701X(2017)04 - 0029 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.009

2017-03-17

浙江省水利科技計劃項目(RC1601)；浙江省科技計劃項目(2013C33033 )。

謝中凱(1985 - )，男，工程師，博士，主要從事水利工程結(jié)構(gòu)分析方面研究。E - mail：xzkzju@126.com