斯里蘭卡某水電站碾壓混凝土重力壩應(yīng)力和變形分析

洪振權(quán)

(云南能投對(duì)外能源開(kāi)發(fā)有限公司，云南 昆明 650228)

我國(guó)20世紀(jì)80年代初開(kāi)始行進(jìn)碾壓混凝土重力壩技術(shù)的研究，并于1986年建成我國(guó)第一座碾壓混凝重力壩。經(jīng)過(guò)20多年的研究、實(shí)踐，目前我國(guó)已經(jīng)建成世界上最高的碾壓混凝土重力壩，在碾壓混凝土筑壩技術(shù)方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，在設(shè)計(jì)理論、防滲排水、溫控防裂、層間結(jié)合、快速施工等方面均取得重大突破，已經(jīng)形成了一套具有中國(guó)特色的碾壓混土筑壩技術(shù)，使碾壓混凝土重力壩發(fā)展成為最具有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型之一。

莫若嘎哈堪達(dá)水電站碾壓混凝土重力壩復(fù)雜層狀地基的特點(diǎn)，為了更好反應(yīng)壩體與壩基的應(yīng)力與變形分布規(guī)律，采用ADINA結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程概況

莫若嘎哈堪達(dá)水電站位于安邦甘加河畔，斯里蘭卡科倫坡東北部約190km處，位于中央省的東北部，靠近中央省東部省之間的省級(jí)行政區(qū)域界線(xiàn)。工程主要建筑物包括主壩、1#、2#副壩、水庫(kù)、泄洪道建筑物、灌溉旁通通道建筑物、壓力管道、壩后式地面廠(chǎng)房、上游副廠(chǎng)房等。主壩跨越安邦河，為粘土心墻土石壩，壩高63.5m，副壩為碾壓混凝土重力壩，高56.5m。水庫(kù)正常蓄水位為185.0m，相應(yīng)庫(kù)容為5.87億m3。根據(jù)最新的發(fā)展，考慮采用卡盧甘加河引水設(shè)施，引水至莫若嘎哈堪達(dá)水庫(kù)，設(shè)計(jì)引水排泄能力為32m3/s。利用增加排泄量的可用水頭，建設(shè)兩個(gè)立式混流式水輪機(jī)組，裝機(jī)容量2×5MW，電站總裝機(jī)容量為25MW。

2 計(jì)算模型

選取1#非溢流壩段為典型壩段，進(jìn)行壩體和壩基進(jìn)行分析，其基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。1#非溢流壩段壩底高程132.3m，壩頂高程187.5m，壩高55.2m；壩寬39.41m；壩段長(zhǎng)20m。

三維有限元模型建立時(shí)，壩體和壩基采用等參8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。其中壩體采用線(xiàn)彈性材料，地基采用Mohr-coulomb材料。壩段計(jì)算范圍為：上、下游方向地基分別取1.5倍壩基寬度，深度方向取1.5倍壩高。坐標(biāo)選擇為：x軸垂直紙面向外，y軸指向下游，z軸豎直向上。邊界約束取為：地基四周法向鏈桿約束，底面為固定邊界約束，溢流壩面采用法向鏈桿約束。

有限元網(wǎng)格圖如圖1—2所示，共劃分單元11562個(gè)，節(jié)點(diǎn)14378個(gè)。其中壩體與地基采用3D-Solid單元，壩體根據(jù)混凝土材料的不同劃分成2個(gè)分區(qū)，壩基根據(jù)巖層的走向分層建模，軟弱結(jié)構(gòu)面采用接觸單元，上游的滑動(dòng)面簡(jiǎn)化成經(jīng)過(guò)壩踵和齒槽的一條軟弱夾層，下游的剪出破裂面與水平線(xiàn)夾角為23°。計(jì)算工況為：

工況1：完建期(自重)

工況2：正常運(yùn)行期(壩體自重+正常蓄水位+下游水位+淤沙壓力+揚(yáng)壓力)

工況3：校核洪水工況(壩體自重+校核洪水位+下游水位+淤沙壓力+揚(yáng)壓力)

表1 典型壩段基本數(shù)據(jù)

圖1 典型壩段壩體與壩基網(wǎng)格圖Ⅰ

圖2 典型壩段壩體與壩基網(wǎng)格圖Ⅱ

3 計(jì)算荷載與計(jì)算參數(shù)

3.1 主要計(jì)算荷載

(1)壩體自重。壩體混凝土為C25，容重為24kN/m3。

(2)特征水位。典型壩段大壩上、下游特征水位見(jiàn)表2。

表2 大壩上、下游特征水位

(3)淤沙壓力。淤沙壓力包括上游水平淤沙壓力和上游面傾斜時(shí)作用在該面上的淤沙重量，壩前淤沙高程為147.5m。淤沙浮容重為3.82kN/m3，淤沙內(nèi)摩擦角為20°。

(4)壩基揚(yáng)壓力。溢流壩段只設(shè)上游主帷幕及主排水。壩基揚(yáng)壓力如圖3所示，圖中H1、H2為上、下游特征水位；α為主排水孔揚(yáng)壓力折減系數(shù)，取0.30，a為主排水孔距壩踵的距離。

圖3 壩基揚(yáng)壓力圖形

3.2 計(jì)算參數(shù)

(1)壩體物理力學(xué)。典型壩段壩體混凝土為C25，彈性模量為22.5GPa，泊松比為0.167容重為24kN/m3。

(2)壩基巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 壩區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)參考值

4 壩體與壩基的應(yīng)力和變形分析

典型壩段壩底高程132.3m，壩頂高程187.5m，壩高55.2m。上游正常蓄水位為185.0m，下游正常尾水位為139.0m。工況1～3的壩體與壩基關(guān)鍵點(diǎn)的位移和應(yīng)力分別見(jiàn)表4—6。壩體與壩基關(guān)鍵點(diǎn)的示意圖如圖4所示。

表4 工況1(完建期)壩體與壩基關(guān)鍵點(diǎn)的位移和應(yīng)力

表5 工況2(正常運(yùn)行期)壩體與壩基關(guān)鍵點(diǎn)的位移和應(yīng)力

圖4 壩體與壩基關(guān)鍵點(diǎn)的示意圖

位移正應(yīng)力剪應(yīng)力主應(yīng)力節(jié)點(diǎn)號(hào)順河向uy/cm豎向uz/cmσy/MPaσz/MPaτyz/MPaσ1/MPaσ3/MPaA0.32-0.26-0.15-2.35-0.620.01-2.51B0.59-0.360.00-0.020.000.00-0.02C0.59-0.410.00-0.030.000.00-0.03D0.52-0.40-0.11-0.580.16-0.05-0.63E0.30-0.35-2.11-1.130.95-0.26-2.69F0.25-0.28-0.990.170.060.18-0.99G0.29-0.28-0.82-0.710.59-0.17-1.36H0.30-0.31-0.28-0.310.460.17-0.75I0.28-0.30-1.28-1.140.83-0.37-2.05J0.29-0.31-0.59-0.960.19-0.24-1.04K0.31-0.34-0.70-0.970.49-0.17-1.34

5 結(jié)論

(1)完建期，在壩體自重作用下壩頂順河向位移指向上游，豎向位移方向?yàn)樨Q直向下，壩踵和壩趾均處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，壩頂、壩踵、壩趾應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

(2)正常運(yùn)行期，壩頂順河向位移指向下游，豎向位移方向?yàn)橄蛳拢瑝熙嘭Q向?yàn)閴簯?yīng)力，順河向?yàn)槔瓚?yīng)力，壩趾豎向應(yīng)力為壓應(yīng)力和主壓應(yīng)力，壩底附近地基應(yīng)力在承載力容許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3)校核洪水工況下，壩頂順河向位移指向下游，豎向位移方向?yàn)橄蛳?，壩踵豎向?yàn)閴簯?yīng)力，順河向存在拉應(yīng)力，壩趾豎向?yàn)閴簯?yīng)力；壩底附近地基應(yīng)力在承載力容許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。