拐彎型河道庫盤深度變化對高拱壩變形影響分析

張 奎

(吉林省和龍市水利局，吉林 和龍 133500)

0 引 言

在水利工程建設中，高拱壩的庫盤一般都承受著巨大的荷載，并且其工作條件極為復雜。在高拱壩施工初期蓄水及運行過程中，受到庫水壓力的長期作用，庫盤變形，并經(jīng)受汛期洪水、地震等突發(fā)性災害的侵襲。此外，高拱壩庫盤變形還與所處的地形、地質(zhì)條件、庫盤型式、變形影響范圍、近壩區(qū)壩體結(jié)構(gòu)、壩體建基條件(河床基礎(chǔ)和兩岸抗力體)等有關(guān)。而且高拱壩庫盤地質(zhì)條件復雜，內(nèi)部斷層、裂隙等結(jié)構(gòu)面的特性、產(chǎn)狀、分布組合關(guān)系等也對大壩工作性態(tài)造成影響。因此，通過系統(tǒng)研究高拱壩庫盤變形的影響因素，提煉影響高拱壩庫盤變形變化規(guī)律的一般性因素，為開展庫盤變形研究提供指導，也為研究庫盤變形對大壩工作性態(tài)影響提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本文通過對拐彎型河道地形條件下庫盤深度變化這一影響因素的研究，進一步分析拐彎型河道庫盤上高拱壩的變形特點。

1 庫盤模型的建立

目前，拐彎型河道庫盤形式較為常見。為研究拐彎型河道庫盤深度對庫盤變形的影響，需要對庫盤所處的地形條件建立拐彎型河道庫盤大范圍模型。

模型的范圍：上游30 km，下游10 km，左右壩肩10 km，壩基礎(chǔ)深度10 km，壩高300 m。

模型中坐標系：X軸垂直于拱壩中心線，指向左岸為正；Y軸平行于拱壩中心線，指向上游為正；Z軸以豎直向上方向為正。拐彎型河道庫盤有限元模型主要采用六面體八節(jié)點等參單元，部分區(qū)域采用五面體六節(jié)點等參單元。

有限元劃分：①壩體部位：河床壩段壩高為300 m剖分6層，河床壩段壩頂厚約為12.2 m剖分2層，河床壩段壩底厚約為74.2 m剖分2層，共劃分144個單元，252各節(jié)點。②模型上游部分：上游5 km范圍內(nèi)均勻剖分成50層，5～10 km范圍內(nèi)均勻剖分成10層，此后每1 000 m剖分一層。③模型下游部分：下游1 km范圍內(nèi)均勻剖分成15層，1～2 km范圍內(nèi)均勻剖分成10層，2～3 km范圍內(nèi)均勻剖分成8層，3～4 km范圍內(nèi)均勻剖分成6層，4～5 km范圍內(nèi)均勻剖分成5層，此后每250 m剖分一層。④模型左右岸部分：左右岸1 km范圍內(nèi)均勻剖分10層，1～2 km范圍內(nèi)均勻剖分成5層，2～3 km范圍內(nèi)均勻剖分成3層，此后每1 000 m剖分一層。⑤壩基底部基巖：壩基底部500 km范圍內(nèi)均勻剖分成10層，500～2 km范圍內(nèi)均勻剖分15層，2～3 km范圍內(nèi)均勻剖分5層，3～4 km范圍內(nèi)均勻剖分3層，4～5 km范圍內(nèi)均勻剖分2層，此后每1 000 m剖分一層。拐彎型河道庫盤模型共有485 486個單元，506 214個節(jié)點。拐彎型河道庫盤有限元計算模型見圖1～圖2。

圖1 拐彎型河道庫盤整體有限元模型

圖2 拐彎型河道近壩區(qū)有限元模型

邊界條件：①庫盤模型底部邊界施加完全位移約束；②庫盤上下游側(cè)邊界施加順河向鏈桿約束；③庫盤左右岸邊界施加橫河向鏈桿約束。

力學參數(shù)：拐彎型河道庫盤有限元模型的物理力學參數(shù)見表1，庫盤基礎(chǔ)變形模量、密度逐漸增大，泊松比逐漸減小。

表1 拐彎型河道庫盤有限元模型物理力學參數(shù)

2 庫盤模型深度范圍影響因素分析

庫盤的變形受到庫盤范圍的影響，為了充分反映庫盤范圍引起的對庫盤變形的影響，重點研究庫盤的深度變化引起的對庫盤變形的影響。

2.1 特征點選取

為研究不同庫盤模型地基深度作用下的庫盤變形變化規(guī)律，在庫盤有限元模型計算中，假定庫盤模型地基深度改變，其他因素不變，據(jù)此開展研究。選取拱冠梁壩踵、壩趾沉降位移，拱冠梁壩頂上游側(cè)向上游位移，距壩上游約150、500 m，以及距壩下游約160 m的沉降位移6個典型點的計算位移值，來研究拐彎型河道庫盤變形變化規(guī)律，沉降量取向下沉降為正，壩頂位移取向上游位移為正。典型點位置見圖3。

2.2 模型計算

拐彎型河道庫盤模型計算：上游方向取30 km、下游方向取10 km、左右岸寬度取10 km、壩前水深295 m固定不變；模型地基深度1～10 km每遞增1 km計算一次，共10組數(shù)據(jù)。

圖3 拐彎型河道典型點位置示意圖

拐彎型河道庫盤模型地基深度變化有限元模型計算結(jié)果見表2及圖4～圖8。

表2 拐彎型河道庫盤模型不同地基深度下典型點位移

圖4 拐彎型河道庫盤模型不同地基深度下典型點位移

圖5 拐彎型河道模型有限元模型沉降位移等值云圖(豎直向上為正)

圖6 拐彎型河道模型近壩區(qū)有限元模型沉降位移等值云圖(豎直向上為正)

圖7 拐彎型河道模型地基深度為10km時上下游壩體沉降等值云圖(豎直向上為正)

圖8 拐彎型河道模型地基深度為1km時上下游壩體沉降等值云圖(豎直向上為正)

3 結(jié) 論

從表2、圖5～圖8可以看出，隨著庫盤模型地基深度的逐漸增加，6個典型點沉降量增加，初始增量較大，但增量隨上游河道長度的增加而減小，很快收斂；拱冠梁向上游位移值也逐漸增大，增量不大，且增量隨上游河道長度的增加而減小，逐漸收斂。壩體最大順河向變形由1/4拱梁壩頂向拱冠梁壩頂轉(zhuǎn)移。