大角度折線型高面板堆石壩壩體和面板的應(yīng)力與變形規(guī)律

朱安龍,張 胤,廖 潔,張 萍,徐小東,劉斯宏,姜忠見

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心抽水蓄能工程分中心,浙江 杭州 311122;3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,江蘇 南京 210006; 4.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

混凝土面板堆石壩作為重要的壩型之一,憑借其在地形地質(zhì)條件方面優(yōu)越的適應(yīng)能力和在投資控制方面的經(jīng)濟優(yōu)勢,在我國水利水電行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1],尤其是隨著西部大型水電工程、大型水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),近年來在狹窄河谷[2-3]、深厚覆蓋層[4-5]等復(fù)雜地形地質(zhì)條件下面板堆石壩以及超高面板堆石壩[6-9]的建設(shè)和筑壩技術(shù)研究方面取得了較大的進展。在壩軸線布置方面,雖然還是以傳統(tǒng)的直線型布置為原則,但近年來也出現(xiàn)了一些折線布置的混凝土面板堆石壩,例如瑯琊山抽水蓄能電站上水庫大壩因為壩基地形條件及為滿足電站運行對庫容的要求采用了折線布置,王二河水庫大壩建設(shè)過程中為了避開右岸斷層和強溶蝕風(fēng)化破碎帶將右岸壩軸線向上游偏轉(zhuǎn)了23.186°[10],巴山水電站大壩為了避開左岸覆蓋層的影響將左岸壩軸線向上游偏轉(zhuǎn)了35°[11]。從近年國內(nèi)抽水蓄能工程中所采用的壩型來看,折角相對較小、壩高規(guī)模不大的折線型混凝土面板堆石壩應(yīng)用有所增多,除了已建成的瑯琊山抽水蓄能電站,正在建設(shè)的長龍山、沂蒙、衢江抽水蓄能電站以及正在開展前期研究的泰安二期抽水蓄能電站均采用(推薦采用)折線型面板堆石壩。相比常規(guī)水電站的水庫,抽水蓄能電站的上下庫壩址、壩線的選擇余地一般較小,尤其是布置在溝源盆地的上水庫,因此壩軸線的布置更易受到埡口(或沖溝)地形條件限制,折線型的布置方案對于充分利用地形條件和優(yōu)化整體布置具有明顯的優(yōu)勢。此外,抽水蓄能電站水庫對庫容要求相對較低(總庫容一般在1 000萬m3左右),折點凸向下游的布置可以有效增大天然庫容,降低工程投資,如衢江抽水蓄能電站上水庫壩軸線轉(zhuǎn)折布置相比直線布置壩高降低約10 m,可節(jié)省投資近1億元,經(jīng)濟效益非常顯著[12]。因此折線型混凝土面板堆石壩除了在特殊地形地質(zhì)條件下應(yīng)用外,在抽水蓄能電站中具有推廣價值。

中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司結(jié)合巴山水電站折線型面板堆石壩對轉(zhuǎn)折部位的連接結(jié)構(gòu)進行了深入研究,提出了連接板結(jié)構(gòu)形式[13];李瑞青[14]對折角大小的影響進行了較為系統(tǒng)的研究,總結(jié)了壩體、面板變形與折角大小的相互關(guān)系;酈能惠等[15]從降低面板堆石壩兩岸面板拉應(yīng)力的角度出發(fā),對折線型面板堆石壩進行了研究。但國內(nèi)對于折線型面板堆石壩的研究總體偏少,缺乏對軸線轉(zhuǎn)折布置后壩體和面板應(yīng)力、變形機理層面的研究成果。本文采用有限元計算軟件建立三維數(shù)值模型,通過某擬建電站水庫大壩3種不同的壩軸線布置方案對大角度、折線型高面板堆石壩轉(zhuǎn)折點位置及角度影響進行系統(tǒng)分析,以期為該類型面板堆石壩的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

某擬建電站裝機容量為1 200 MW,總庫容為1 077萬m3,為一等大(Ⅰ)型工程。水庫壩址區(qū)溝谷呈“Ⅴ”形,兩岸坡度15°～45°,谷底寬20～45 m,溝底高程570～584 m,正常蓄水位處河谷寬約390 m。左岸山體單薄,山頂高程742 m左右,在左壩頭下游分布一長約400 m、高程660 m左右的單薄山脊;右岸山體較寬厚,山頂高程726 m左右。壩址區(qū)弱風(fēng)化基巖裸露,巖性為凝灰?guī)r。

大壩采用混凝土面板堆石壩,上游壩坡坡比1∶1.4,下游壩坡坡比1∶1.3。壩體自上游向下游分成墊層區(qū)、過渡區(qū)、上游堆石區(qū)和下游堆石區(qū),依據(jù)趾板建基面計算的最大壩高為116.5 m。填筑材料為質(zhì)量良好的凝灰?guī)r,弱風(fēng)化巖的飽和單軸抗壓強度達到50 MPa以上。擬定3條壩軸線布置方案進行對比分析,重點研究折角布置對大壩整體運行性能的影響。

2 數(shù)值模型

2.1 壩軸線布置方案

結(jié)合壩址處的地形地質(zhì)條件,壩軸線轉(zhuǎn)折部位逐漸由左岸岸坡向河谷方向靠近,擬定3條壩軸線布置方案進行建模計算,其中方案1壩軸線和趾板轉(zhuǎn)折部位均位于岸坡,其他兩個方案壩軸線轉(zhuǎn)折部位位于岸坡,趾板轉(zhuǎn)折部位位于河谷。各方案基本參數(shù)見表1,相應(yīng)壩軸線平面布置見圖1。

表1 壩軸線布置參數(shù)

圖1 各方案壩軸線平面布置(單位:m)

對3個布置方案建立三維數(shù)值模型進行面板的應(yīng)力應(yīng)變以及壩體整體穩(wěn)定性分析。模型上下游邊界超出壩體填筑邊界,基礎(chǔ)底邊界截取至弱風(fēng)化層下限,以消除邊界對計算成果的影響,地基部分采用線彈性模型。計算模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 各方案三維計算模型網(wǎng)格示意圖

2.2 計算方法及參數(shù)

壩體材料采用Duncan E-B非線性彈性模型模擬,面板混凝土與墊層料采用無厚度Goodman接觸面單元模擬,混凝土面板周邊縫與垂直縫接縫材料采用縫單元模擬[16-19]。壩體填筑材料的Duncan E-B模型參數(shù)采用該工程壩料三軸試驗成果(表2)。面板、趾板、防浪墻的混凝土材料采用彈性模型模擬,物理及力學(xué)參數(shù)根據(jù)設(shè)計指標(biāo)按規(guī)范取值,面板與墊層料間接觸面模型的計算參數(shù)參照天生橋一級面板壩接觸面試驗結(jié)果確定為:K=4 800,n=0.56,破壞比Rf=0.74, 接觸面摩擦角δ=36.6°。壩基基巖為弱風(fēng)化上部巖體,根據(jù)物理力學(xué)試驗結(jié)果取用,具體參數(shù)為:密度ρ=2.45 g/cm3,彈性模量E=15 GPa,泊松比μ=0.2,飽和單軸抗壓強度Rc=50 MPa。

表2 壩體填筑材料模型計算參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 壩體應(yīng)力與變形分析

3.1.1河床壩段壩體應(yīng)力與變形

方案1、2、3蓄水前大主應(yīng)力極值分別為1.6 MPa、1.85 MPa和2.27 MPa,小主應(yīng)力極值分別為0.64 MPa、0.78 MPa和0.78 MPa,均分布在河床部位的最大壩高處的建基面附近。蓄水后大、小主應(yīng)力極值略有增大,分布位置略向上游移動。各方案應(yīng)力分布特征、大小以及蓄水前后的變化規(guī)律一致。圖3和圖4分別為方案2蓄水前后大、小主應(yīng)力分布(除特別說明外應(yīng)力均以壓為正,拉為負(fù))。

圖3 方案2蓄水前后壩體大主應(yīng)力等值線(單位:MPa)

圖4 方案2蓄水前后壩體小主應(yīng)力等值線(單位:MPa)

方案1、2、3蓄水前最大沉降依次為59.18 cm、62.63 cm和74.04 cm,蓄水后分別增加至59.94 cm、63.84 cm和75.85 cm,壩體沉降占壩高0.51%～0.64%,與國內(nèi)同等規(guī)模的硬巖面板堆石壩沉降水平相當(dāng)。最大沉降均分布在壩體填筑最深處約1/2壩高部位靠下游側(cè),蓄水后,受上游水荷載的作用,沉降值略有增大,分布區(qū)域略向上游偏移。蓄水前垂直壩軸線向位移基本以壩軸線為界,上游側(cè)指向上游,最大值15～20 cm,下游側(cè)指向下游,最大值28～38 cm,向下游位移均大于向上游位移。蓄水后,受上游水荷載作用,除上游壩腳局部區(qū)域外，垂直壩軸線向位移基本指向下游,最大位移達到34～47 cm。各方案分布規(guī)律基本一致,圖5和圖6為方案2蓄水前后垂直壩軸線向位移和沉降變形及分布規(guī)律(垂直壩軸線向位移向下游為正,向上游為負(fù))。

各方案蓄水前后的大主應(yīng)力、小主應(yīng)力、沉降、垂直壩軸線向位移極值見表3。從表3可以看出,從方案1至方案3,上述統(tǒng)計值均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。根據(jù)各方案壩軸線布置特點,隨著折角的增大,轉(zhuǎn)折點沿山脊不斷向下游調(diào)整,右壩頭向上游調(diào)整,主河床部位的壩軸線與河床走向的關(guān)系逐漸由斜交變?yōu)檎?兩岸地形的約束條件有較大變化,符合兩岸地形對壩體的拱效應(yīng)作用規(guī)律[4,20-21]。因此不同方案壩基大小主應(yīng)力極值以及位移隨壩軸線折角的變化規(guī)律主要受不同方案壩基整體地形條件控制,符合面板堆石壩應(yīng)力、變形的一般規(guī)律。

表3 壩體應(yīng)力與變形極值

注:蓄水后垂直壩軸線向位移除上游壩腳局部區(qū)域外基本指向下游。

圖5 方案2壩體蓄水前垂直壩軸線向位移及蓄水后位移增量分布(單位:cm)

圖6 方案2壩體蓄水前沉降變形及蓄水后沉降變形增量分布(單位:cm)

3.1.2壩體沿壩軸線向位移分布

受壩體施工期間沉降影響,兩岸壩體向河床部位發(fā)生位移。以河床為界,方案1、2、3右岸最大位移分別為6.34 cm、7.86 cm和10.89 cm,左岸分別為5.73 cm、5.74 cm和10.77 cm,最大值均位于岸坡壩段的中部。蓄水后右岸最大位移分別為5.45 cm、7.42 cm和12.31 cm,左岸分別為7.11 cm、10.11 cm和17.93 cm。蓄水后沿壩軸線向位移最大值的分布位置左右岸差異較大,右岸的位置基本保持不變,位于岸坡壩段的中部,左岸的位置受轉(zhuǎn)折影響顯著,基本位于靠近轉(zhuǎn)折處的中高程部位。蓄水前后沿壩軸線向位移分布如圖7和圖8所示(沿壩軸向位移以自右岸向左岸移動為正)。

從圖7和圖8可以看出,蓄水前雖然轉(zhuǎn)折點附近等值線分布與兩側(cè)存在一定的差異,但整體以河床為中心分布,與一般直線布置的面板堆石壩基本一致。蓄水后位移分布發(fā)生較大變化,轉(zhuǎn)折點以左的壩體向河床方向的位移增幅較大,但轉(zhuǎn)折點以右的壩體向河床方向的位移有所減小,甚至出現(xiàn)反向的位移。由蓄水前后的位移對比可以發(fā)現(xiàn),蓄水后壩體存在向轉(zhuǎn)折點偏移的趨勢,折角越大,該趨勢的程度和影響范圍也越大。同時隨著轉(zhuǎn)折部位向河床處靠近,壩體兩側(cè)地形對稱性越來越強,轉(zhuǎn)折對兩側(cè)壩體變形的影響也逐漸對稱。

圖9 面板沿壩軸線向應(yīng)力分布(單位:MPa)

圖11 面板沿壩軸向位移分布(單位:cm)

圖12 面板撓度分布(單位:cm)

3.2 面板應(yīng)力與變形

3.2.1面板應(yīng)力分布

各方案應(yīng)力分布如圖9和圖10所示,對于壩軸線向應(yīng)力,連接板左側(cè)面板主體以受拉為主,其中在周邊縫以及連接板附近拉應(yīng)力相對較大,最大值分布在左岸中部偏低高程的周邊縫附近;隨著折角的增大,拉應(yīng)力最大值有增大趨勢,同時在中部開始出現(xiàn)局部壓應(yīng)力區(qū),并逐漸擴大,壓應(yīng)力值也逐漸增大;大部分面板壓應(yīng)力水平較低(0～0.5 MPa),但在靠近轉(zhuǎn)折點的底部壓應(yīng)力相對較高,其中方案3最大,達到3.6 MPa。連接板右側(cè)面板在靠近連接板、周邊縫及右岸岸坡附近受拉,在河床部位的面板中部大部分區(qū)域及靠近轉(zhuǎn)折點的底部局部處于受壓狀態(tài);隨著折角的增大,拉應(yīng)力值逐漸增大,壓應(yīng)力分布區(qū)域逐漸減小。

3.2.2面板位移分布

圖11和圖12為面板水平位移與撓度分布。蓄水后連接板左側(cè)壩體沿壩軸線方向有從左至右(即向河床方案移動)的位移趨勢,方案1、2、3最大值分別為6.2 cm、6.5 cm和10.2 cm,右側(cè)壩體沿壩軸線方向有從右至左(即向河床方案移動)的位移趨勢,最大值分別為2.1 cm、3.7 cm和8.7 cm。連接板受左右兩側(cè)面板約束,具有明顯的位移不連續(xù)現(xiàn)象,各方案均表現(xiàn)為連接板整體往壩體右側(cè)移動,但隨著折角的增大,趨勢有所減弱。各方案面板撓度最大值分布的高程基本接近,大約位于650 m高程附近的河床部位,最大值分別為27.3 cm、27.6 cm和30.8 cm。

綜合各方案面板應(yīng)力和位移的分布圖以及面板軸向應(yīng)力位移統(tǒng)計值(表4),隨著折角的增大,轉(zhuǎn)折部位逐漸向右側(cè)河床部位靠近,整個大壩左側(cè)部分的拉應(yīng)力分布范圍隨連接板的移動逐漸擴大范圍,而壓應(yīng)力的分布范圍逐漸向右側(cè)岸坡段縮小。除了靠近河床底部外,面板中上部位的壓應(yīng)力大小隨著折角的增大而減小。兩側(cè)面板指向連接板位移的趨勢隨著折角的增大而增強,而且隨著轉(zhuǎn)折部位兩側(cè)壩體對稱性增強,連接板兩側(cè)面板偏移的差異逐漸減小。

表4 面板應(yīng)力、位移統(tǒng)計

3.3 結(jié)構(gòu)縫變形

根據(jù)結(jié)構(gòu)縫的位置和變形特性,將結(jié)構(gòu)縫分為面板垂直縫、趾板與面板的周邊縫以及連接板兩側(cè)與面板的周邊縫。其中面板的垂直縫分布主要與面板應(yīng)力狀態(tài)相關(guān),不再贅述,以下重點分析趾板和連接板的周邊縫變形規(guī)律。

3.3.1趾板周邊縫變形及變化規(guī)律

表5為趾板周邊縫變形最大值,面板與趾板之間周邊縫的三向變形均以張拉變形為主,右岸張拉變形整體大于左岸,最大值分布在右岸1/3壩高附近。由表5還可以看出,隨著折角的增大,右岸趾板結(jié)構(gòu)縫變形總量逐漸減小。

表5 趾板周邊縫變形最大值 mm

周邊縫的變形與趾板下游的堆石體填筑體型關(guān)系以及兩岸地形關(guān)系密切,與趾板下游填筑厚度、兩岸坡度、水荷載呈正相關(guān)關(guān)系。綜合3個方案的整體布置情況,方案1的右岸趾板“X”線的水平投影與地形等高線相交角度最小,垂直趾板方向趾板下游的地形陡降,填筑區(qū)厚度較大,因此在該部位周邊縫變形最大;而方案3右岸趾板“X”線的水平投影與地形等高線基本處于正交,垂直趾板方向趾板下游的地形相對平緩,填筑區(qū)厚度較小,約束了該部位周邊縫的變形。

3.3.2連接板兩側(cè)周邊縫變形及變化規(guī)律

表6為連接板周邊縫變形極值,連接板兩側(cè)的周邊縫三向變形中拉壓變形均表現(xiàn)為張拉,兩側(cè)的剪切變形基本沿面板指向河床底部,沉陷變形除方案1相對較大外,方案2和方案3較小,與對應(yīng)的張拉和剪切變形相比基本可忽略。根據(jù)表6統(tǒng)計的張拉變形極值顯示,三向變形中張拉變形與折角相關(guān)性較好,隨著折角的增大,變形值顯著增大,變形規(guī)律與其兩側(cè)面板應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。對于方案1除了張拉變形較小外,剪切和沉陷變形均是3個方案中最大的一個。綜合分析壩體總體布置,方案1無論是壩軸線位置還是趾板位置,轉(zhuǎn)折部位均位于岸坡部位,連接板兩側(cè)壩體體型差異懸殊,不均勻變形較大,因此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縫變形復(fù)雜。

表6 連接板周邊縫變形極值統(tǒng)計 mm

4 折線型面板堆石壩變形機理淺析

面板應(yīng)力、位移除了受水荷載直接作用影響外,更主要的是堆石體變形。蓄水后水壓對壩體的作用表現(xiàn)為垂直方向和水平方向兩組作用,豎向作用引起大壩沉降使岸坡壩段向河床方向發(fā)生位移,帶動面板使面板在兩岸存在受拉趨勢,靠近河床部位存在受壓趨勢;水平方向作用使壩體向下游位移。對于直線布置的大壩,沿壩軸線各部位水平方向作用力的方向相同,大小過渡均勻,主要影響面板撓度的分布,對壩體和面板軸向變形幾乎沒有影響。但是對于壩軸線折向下游的面板堆石壩,轉(zhuǎn)折點兩側(cè)壩體受力方向不一致,一側(cè)壩體向下游的位移對另一側(cè)壩體而言存在沿壩軸向的牽引拉伸作用。面板在轉(zhuǎn)折部位壩體軸向變形的牽引帶動下,產(chǎn)生水平方向的張拉應(yīng)力,相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)縫產(chǎn)生張拉變形。由于壩體沉降同時會產(chǎn)生指向河床部位的軸向位移,因此對于折線布置的混凝土面板堆石壩,壩體水平方向的位移和垂直方向的沉降對壩體軸向位移存在疊加作用,使得壩體和面板的應(yīng)力與變形問題更加復(fù)雜。

對于本文的3個方案,壩軸線轉(zhuǎn)折部位均位于左岸,水荷載垂直、水平分力的作用對轉(zhuǎn)折點以左的壩體作用一致,均使壩體向河床方向移動,但是對轉(zhuǎn)折點以右的壩體,水平位移引起的軸向拉伸與沉降引起的向河床方向位移作用正好相反。從各方案1/2壩高沿壩軸線位移的平切圖(圖13和圖14)可以看出:壩體填筑后兩岸的沉降方向均是以河谷為中心線,兩側(cè)近似對稱分布,兩岸壩體向中部位移;蓄水后位移增量明顯指向轉(zhuǎn)折點,且連接板左側(cè)的位移增量明顯大于右側(cè);隨著轉(zhuǎn)折點不斷向河床部位移動(方案1至方案3),轉(zhuǎn)折部位大壩規(guī)模不斷增大,對稱性增加,壩體位移逐漸增大,分布的對稱性逐漸增強。

圖13 蓄水前1/2壩高處軸向位移(單位:cm)

圖14 蓄水后1/2壩高處軸向位移增量(單位:cm)

5 結(jié) 語

對于凸向下游的折線型混凝土面板堆石壩,折角具有牽引拉動作用，增加面板整體受拉趨勢。由于各方案之間除了折角大小的差異外,還存在轉(zhuǎn)折部位的壩基地形條件、壩高等差異,因此折角附近的應(yīng)力、變形與折角之間的變化規(guī)律并非線性關(guān)系。

壩軸線轉(zhuǎn)折的布置對大壩整體運行性能的影響不僅僅涉及折角,轉(zhuǎn)折部位壩高和地形條件均是重要的影響因素。對于特定的工程,壩軸線轉(zhuǎn)折往往意味著整體布置條件的改變,在進行壩軸線布置研究時除了考慮轉(zhuǎn)折部位的運行性態(tài)外,還應(yīng)綜合考慮大壩的整體運行條件。方案2雖然折角并不是3個方案中最小的,折角部位的壩高規(guī)模也相對較大,但由于考慮兩岸地形條件的不利影響,計算結(jié)果顯示其綜合運行條件相對較優(yōu)。因此,在進行壩軸線布置時應(yīng)充分利用壩軸線轉(zhuǎn)折的靈活性,合理利用壩體變形的特性,優(yōu)化整個壩體的布置條件。

基于折線型面板堆石壩壩體變形機理的研究表明,壩體轉(zhuǎn)折后順河床的水平位移引起的局部壩體軸向位移與垂直沉降產(chǎn)生的軸向位移存在疊加影響,充分利用二者的相互關(guān)系合理選擇轉(zhuǎn)折點和折角大小對于解決特殊條件下大壩不利變形和面板不利應(yīng)力分布具有積極的意義。