河床式水電站廠泄連接壩段橫縫止水布置研究

杜 威，王志宏，王占軍

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司， 湖北 武漢 430010)

混凝土重力壩設(shè)置了橫縫，各個壩段伸縮及沉降變形不相互約束，壩段穩(wěn)定主要依靠單壩段自身穩(wěn)定維持[1- 2]。常態(tài)混凝土壩的橫縫間距(即壩段寬度)主要取決于壩基地形地質(zhì)條件、壩體布置、結(jié)構(gòu)工作條件、壩體斷面尺寸、溫度應力和施工條件等因素，一般為15～20m，超過24m時應作論證[3]。對于溢流壩段，除了自身穩(wěn)定外，還需滿足閘墩關(guān)鍵部位橫向變形要求。合理的止水布置型式不但可以改善溢流壩段的應力變形，還可以減小壩段寬度，進而減小混凝土壩施工難度。目前廠泄連接壩段止水布置相關(guān)研究文獻較少[4- 10]，設(shè)計時主要參考類似工程布置。本文對河床式水電站廠泄連接壩段不同橫縫止水布置下的變形狀況進行三維有限元計算對比分析，明確混凝土閘墩關(guān)鍵部位的變形規(guī)律以確定該壩段合適的寬度以及廠房側(cè)止水較為合理的布置型式。

1 工程概況

某水電站位于金沙江四川攀枝花河段，為河床式水電站。河床布置最大壩高為73m的混凝土重力壩，右岸布置導流明渠，河床及左岸布置河床式電站廠房。其中6#壩段(溢流壩段)左臨廠房4#機組段，由于邊墩兩側(cè)止水位置不同，正常蓄水及表孔泄洪時，邊墩兩側(cè)承受不平衡荷載作用，受力條件較為復雜，邊墩側(cè)向變形較大，可能影響閘門的正常運行。

2 有限元模型

由于6#溢流壩段左邊墩兩側(cè)止水位置不同，正常蓄水及表孔泄洪時，邊墩兩側(cè)承受不平衡荷載作用，邊墩側(cè)向變形較大，會影響閘門的正常運行，需根據(jù)三維有限元應力變形結(jié)果確定該壩段寬度。樞紐布置方案確定6#壩段為生態(tài)泄水孔壩段，右側(cè)為泄洪表孔壩段，因此根據(jù)6#壩段及邊墩寬度，本次計算共采用4個計算模型，如圖1—4所示，其特性見表1。

表1 有限元計算模型特性

計算模型中X—順流向(向下游為正)，Y—橫河向(向左岸為正)，Z—豎直向(向上為正)。地基在上、下游及深度方向各延長1.5倍壩高。基礎(chǔ)底面和側(cè)面均取法向約束，混凝土壩段上下游面和兩側(cè)為自由面。

圖1 計算模型一6#壩段及地基有限元網(wǎng)格

圖2 計算模型二6#壩段及地基有限元網(wǎng)格

圖3 計算模型三6#壩段及地基有限元網(wǎng)格

圖4 計算模型四6#壩段及地基有限元網(wǎng)格

3 材料參數(shù)取值與荷載工況

3.1 材料參數(shù)取值

表2 計算參數(shù)表

3.2 荷載工況

廠房側(cè)止水布置如圖5所示。

根據(jù)運行期各項荷載組合情況，擬定正常蓄水位與校核洪水位兩個典型工況。計算中考慮以下荷載。

(1)上、下游水壓力：正常蓄水工況上游水位998.50m，下游水位979.28m；校核洪水工況上游水位1004.92m，下游水位1001.75m。

(2)生態(tài)泄水孔弧門推力：正常蓄水位時，弧門單側(cè)推力標準值為8008kN，與水平方向夾角(仰角)28.33°。弧門支鉸高程為997.00m。

(3)泄洪15m×23m表孔弧門推力：正常蓄水位時，弧門單側(cè)推力標準值為27040kN，與水平方向夾角(仰角)30.92°。弧門支鉸高程為995.00m。

(4)側(cè)向水壓力：如圖6—9所示。校核洪水工況下，溢流堰側(cè)水面線由水工模型試驗得到。

4 計算結(jié)果及分析

參考國內(nèi)已建工程經(jīng)驗，水電站表孔邊墩厚度初步取8m，則6#壩段寬12.5m，有限元計算模型如圖1所示。計算結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，該計算方案下閘墩關(guān)鍵部位側(cè)向變形偏大，在不增加邊墩厚度的情況下，需增加整個壩段的寬度。

圖5 廠房側(cè)止水布置

圖6 正常蓄水位工況邊墩兩側(cè)的側(cè)向水壓力

圖8 正常蓄水位工況中墩兩側(cè)的側(cè)向水壓力

圖7 校核洪水位工況邊墩兩側(cè)的側(cè)向水壓力

圖9 校核洪水位工況中墩兩側(cè)的側(cè)向水壓力

結(jié)合樞紐布置方案，生態(tài)泄水孔與河床泄洪表孔中間不設(shè)橫縫，則6#壩段寬度為30m。有限元計算模型如圖2所示。計算結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，方案5，即地基變形模量為8GPa，廠房側(cè)下游止水底部高程951.25m，且河床泄洪表孔溢流堰右側(cè)受到法向約束時，閘墩關(guān)鍵部位側(cè)向變形基本滿足要求。

為進一步驗證邊墩厚度減小后，閘墩關(guān)鍵部位側(cè)向變形是否滿足要求，建立了有限元計算模型，如圖3所示，此模型的邊墩厚度為6m。有限元計算計算結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，方案9、10閘墩關(guān)鍵部位側(cè)向變形偏大。

結(jié)合樞紐布置方案，為進一步驗證6#壩段寬度增加后，閘墩關(guān)鍵部位側(cè)向變形是否滿足要求，建立了有限元計算模型，如圖4所示，此模型的6#壩段寬度為32m。有限元計算結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，雖然方案11—19部分止水方案下閘墩關(guān)鍵部位側(cè)向變形基本滿足要求，但相比較于方案5的止水方案，施工難度大，所以方案5的止水方案更優(yōu)。即6#壩段寬30m，地基變形模量為8GPa，廠房側(cè)下游止水底部高程951.25m，河床泄洪表孔溢流堰右側(cè)受到法向約束。由于坎段較寬，為減小施工溫控難度，擬爭取如下措施：一是降低局部混凝土材料強度，6#坎段堰體內(nèi)部采用C9015；二是該壩段中部采用施工縫或槽寬，后期進行接縫灌漿、回填等。

表3 閘墩關(guān)鍵部位側(cè)向變形統(tǒng)計表 單位：mm

5 結(jié)語

6#壩段邊墩兩側(cè)止水布置不同，邊墩兩側(cè)承受不平衡水荷載作用時，側(cè)向變形較大，可能影響閘門正常運行。根據(jù)該壩段寬度和止水布置位置不同，共確定了19個計算方案，對不同止水布置組合方案進行了三維有限元計算，并根據(jù)閘墩關(guān)鍵部位側(cè)向變形確定了止水布置方案，計算結(jié)果表明：方案5，即6#壩段寬度為30m，廠房側(cè)下游止水底部高程951.25m時，閘墩關(guān)鍵部位側(cè)向變形基本滿足要求。建議選擇方案5作為6#壩段設(shè)計布置方案。需要指出的是，由于該壩段較寬，需采取一定的措施以減小施工溫控難度，如降低局部混凝土材料強度、采用施工縫或?qū)挷鄣取?/p>

目前廠泄連接壩段止水布置相關(guān)研究文獻較少，本文研究成果可為河床式水電站廠泄連接壩段橫縫止水布置設(shè)計提供重要依據(jù)，但該成果未經(jīng)工程實際運行檢驗。鑒于廠泄連接壩段結(jié)構(gòu)型式復雜性，需結(jié)合工程實際運行情況進一步探討橫縫止水布置。