庫爾干水庫樞紐大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

詹 超

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

大型水利工程修建具有十分重要的意義，有利于改善當(dāng)?shù)厮h(huán)境條件，改變水資源時空分布不均勻的現(xiàn)狀。準(zhǔn)確選取壩址和壩型具有十分重要的意義，有利于節(jié)省工程投資，保證工程的安全性[1-3]。壩址選取應(yīng)當(dāng)綜合考慮施工、投資、建筑材料以及水工結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素。分析壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力可為壩體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。張勇超等[4]基于Drucker-Prager準(zhǔn)則分析了梯形拱壩的彈塑性漸進(jìn)破壞過程，獲取拱壩極限承載力；盧偉敏[5]結(jié)合工程實(shí)例，研究了堆石壩的動力響應(yīng)特征；李振綱[6]利用數(shù)值模擬方法分析堆石壩應(yīng)力分布特征，為壩體材料分區(qū)提供參考；李富忠等[7]分析了毛藏寺電站堆石壩的應(yīng)力分布特征，認(rèn)為堆石壩安全性較好；陳丹等[8]通過應(yīng)力分析，對高拱壩設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。以庫爾干水利樞紐工程為例，對壩址、壩型選取進(jìn)行比選，并分析壩體應(yīng)力分布特征，為壩體設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

庫山河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，為解決當(dāng)?shù)厮Y源時空分布不均的缺點(diǎn)，修建庫爾干水利樞紐。工程壩址以上集水面積2141km2，多年平均年徑流量6.52億m3。庫爾干水庫正常蓄水位2105m，相應(yīng)庫容12089萬m3(淤積30年剩余庫容9006萬m3，下同)；死水位2065m，死庫容1494萬m3(129萬m3)，調(diào)節(jié)庫容10595萬m3(8877萬m3)。庫爾干壩后水電站裝機(jī)容量24MW，多年平均年發(fā)電量0.859億kW·h。

3 壩址及壩型選取

3.1 壩址比選

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查成果，庫爾干水庫樞紐工程共有上、中、下三個壩址可供選取。上、中、下3個壩址相距分別相距8km、2.5km，三個壩址工程任務(wù)相同，交通、氣候條件基本相同。3處壩址比選結(jié)果見表1。

綜合考慮各處壩址的工程投資以及施工難度情況，選擇中壩址作為推薦壩址區(qū)。

3.2 壩型比選

在新疆地區(qū)兩種常見的壩型是瀝青心墻壩和混凝土面板壩，現(xiàn)對兩種壩型進(jìn)行比選，見表2。

(a)上壩址

(b)中壩址

(c)下壩址

圖1 各壩址地形特征

表1 壩址比選

表2 壩體類型比選

綜合考慮采用瀝青心墻壩具有耐久性好，壩體填筑工程量較小的特點(diǎn)，雖然工程投資略高，但壩體優(yōu)點(diǎn)較為顯著，因此，推薦瀝青心墻壩作為推薦壩型。

4 瀝青心墻壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析

4.1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1 壩址區(qū)地質(zhì)情況

庫區(qū)主要分布有侏羅系、白堊系和第四系地層?；鶐r為侏羅系和白堊系地層，巖性以砂巖、泥巖為主，屬軟巖、較軟巖，基巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖層走向與河谷斜交，庫區(qū)無區(qū)域性斷裂通過。侏羅系地層為灰黑色粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r夾煤線及薄層砂巖、砂礫巖，分布于庫尾；白堊系地層為磚紅色、棕紅色石英砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖夾礫巖，分布于庫區(qū)兩岸，是庫區(qū)的主要地層；第四系地層在庫區(qū)廣泛分布，巖性為砂卵礫石夾含土塊碎石層、砂礫石、砂卵礫石層、風(fēng)積(Q3eol)黃土。

4.1.2 壩體結(jié)構(gòu)

擋水建筑物采用碾壓式瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程2109.50m，最大壩高82.0m，壩頂長度702m，壩頂寬度10m，上游壩坡與圍堰結(jié)合，壩坡為1∶2.25，下游設(shè)之字形永久上壩道路，馬道間局部壩坡為1∶2.0，下游綜合壩為1∶2.22。壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為：上游砂礫料區(qū)、上游過渡區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游過渡區(qū)、下游砂礫料區(qū)。心墻厚為0.6-1.0m，在底部做放大基礎(chǔ)與混凝土基座相連，心墻頂部距壩頂2.0m，與壩頂防浪墻銜接，形成封閉的防滲結(jié)構(gòu)。上游壩坡采用現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡，下游壩坡采用混凝土網(wǎng)格梁回填砂礫料護(hù)坡。同時，為增強(qiáng)大壩抗震穩(wěn)定性，在2107.5-2083.5m高程壩頂區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)鋼塑土工格柵。瀝青心墻壩典型剖面見圖2所示。

圖2 瀝青心墻壩典型剖面

4.2 壩體應(yīng)力分析

4.2.1 數(shù)值模擬模型及材料物理參數(shù)

依據(jù)圖2建立瀝青心墻壩數(shù)值模擬計(jì)算模型。各材料計(jì)算參數(shù)見表3、表4。其中混凝土及基巖采用摩爾-庫倫模型，其他材料使用鄧肯-張模型。

表3 數(shù)值模擬計(jì)算材料參數(shù)一

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 心墻處不同高度應(yīng)力特征

心墻處不同高度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖3，從圖中可知隨著高程增加，心墻處的應(yīng)力逐漸減小，主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在靠近壩肩位置逐漸出現(xiàn)了部分拉應(yīng)力。

表4 數(shù)值模擬計(jì)算材料參數(shù)二

K、Kur、Kb分別為模量系數(shù)、卸載模量切線體積模量；C、φ為黏聚力、內(nèi)摩擦角；△φ為內(nèi)摩擦角衰減系數(shù)；n、m分別為模量指數(shù)、切線體積模量指數(shù)；Rf為破壞比；ρ為密度；γ為容重；μ為泊松比；E為彈性模量。

圖3 心墻處不同高度應(yīng)力分布特征(軸線處)

4.2.2 垂直水流方向心墻應(yīng)力分布特征

垂直水流方向心墻應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4，從圖中可知，應(yīng)力在壩體與河谷連接部位較大，瀝青混凝土心墻在靠近壩肩部位時出現(xiàn)拉應(yīng)力，其他部位均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，與河谷距離越近，拉應(yīng)力值越大。

圖4 垂直水流方向心墻應(yīng)力分布特征(軸線處)

5 結(jié) 論

通過3處壩址及兩種壩型比選，選擇中壩址和瀝青混凝土心墻壩作為庫爾干水庫大壩的壩址和壩體類型，具有工程投資合理，施工難度低，耐久性好等優(yōu)勢；通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著高度增加心墻(軸線處)壓應(yīng)力逐漸減小，在壩肩部位出現(xiàn)部分拉應(yīng)力，其余部位均為壓應(yīng)力。垂直水流方向上在壩肩部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，其余部位為壓應(yīng)力，距離河谷越近，拉應(yīng)力值越大。在壩體設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重加強(qiáng)壩肩、壩頂部位心墻的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)拉張破壞，導(dǎo)致壩體安全性降低，影響樞紐工程的正常使用以及流域范圍內(nèi)居民的正常生產(chǎn)生活。