庫水位升降變化對關(guān)門山水庫大壩應(yīng)力和面板脫空的影響分析

楊旭前

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

混凝土面板堆石壩是一種常見壩型，具有投資水平低、建設(shè)速度快、適應(yīng)性好等諸多優(yōu)勢[1]。但是，受到壩型特點的影響，面板裂縫問題一直是混凝土面板堆石壩設(shè)計、建設(shè)和應(yīng)用過程中的難點問題。一旦面板裂縫發(fā)展并貫通，就會造成水體的大量滲入，并對大壩的整體安全造成嚴重威脅[2]。從混凝土面板裂縫的成因來看，主要有結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫兩種。其中，對面板影響最大的是結(jié)構(gòu)性裂縫，而面板脫空又是造成結(jié)構(gòu)性裂縫的直接原因[3]。顯然，脫空部位由于受到水壓力的作用，必然會發(fā)生一定的彎曲變形，并產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，當拉應(yīng)力值超出面板混凝土的抗拉強度之后，就會誘發(fā)結(jié)構(gòu)性裂縫[4]。當然，大壩脫空的影響因素眾多。限于篇幅，本次研究以數(shù)值模擬的方法，以關(guān)門山水庫大壩為例，利用數(shù)值模擬方法展開庫水位升降變化因素對大壩應(yīng)力和面板脫空影響的研究，力求為面板脫空的預(yù)測和治理提供必要的理論和實踐借鑒。

1 工程概況

關(guān)門山水庫是一座以供水為主，兼具其他多種功能的中型水利工程，其壩址在遼寧省本溪市境內(nèi)的小湯河干流上，距離下游本溪縣政府直線距離約25km。關(guān)門山水庫壩址以上控制流域面積約176.77km2，正常蓄水位172.00m，總庫容約7661萬m3。水庫的主要建筑物按照百年一遇洪水標準設(shè)計，千年一遇洪水標準校核[5]。水庫的主要水工建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪洞和引水發(fā)電系統(tǒng)。其中水庫的工程等別為Ⅲ等，永久性水工建筑物級別為3級。關(guān)山水庫大壩為混凝土面板堆石壩設(shè)計，其下部存在較厚的地基覆蓋層，總厚度約40～45m，自上而下可以分為三層，分別是砂礫石夾礫石、砂礫石、砂礫石夾塊礫石，覆蓋層下為新鮮基巖，地基環(huán)境比較理想。

2 FLAC-3D數(shù)值計算模型

2.1 FLAC-3D計算軟件簡介

FLAC-3D是一款大型通用有限元軟件，由美國Itasca公司研發(fā)[6]。在軟件推出之后，憑借其強大的模擬計算能力和廣泛的工程適用性，已經(jīng)被應(yīng)用于隧道工程、邊坡穩(wěn)定以及大壩應(yīng)力等諸多領(lǐng)域的數(shù)值分析研究。該軟件可以將工程應(yīng)用方面的各種方程轉(zhuǎn)化為差分方程，從而實現(xiàn)求解過程的簡化和非連續(xù)性，進而通過計算機進行迭代計算求解[7]。基于此，此次研究選擇FLAC-3D有限元軟件進行背景工程的三維有限元模型建模。

2.2 計算模型的構(gòu)建

此次研究以關(guān)門山水庫大壩為例，以壩體的橫縱斷面為依據(jù)，建立三維有限元計算模型。在模型的構(gòu)建過程中，以順河向指向下游的方向為Y軸的正方向，以垂直于Y軸指向右岸的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸的正方向。結(jié)合工程的實際特點和建模軟件的要求，利用六面體等參單元對幾何模型進行有限元網(wǎng)格剖分，最終獲得278777個網(wǎng)格單元、245083個計算節(jié)點(見圖1)。對構(gòu)建的模型施加位移約束條件。其中，模型的底部施加全位移約束，模型的側(cè)面施加橫河向位移約束，模型的上部設(shè)置為自由邊界條件[8]。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 模型參數(shù)與邊界條件

在模型計算過程中，大壩的堆石體本構(gòu)模型采用鄧肯—張E-B模型[9]，主堆石料的計算參數(shù)通過室內(nèi)大型三軸試驗獲得，其余材料的計算參數(shù)通過除險加固工程的設(shè)計資料獲得，具體的計算參數(shù)見表1。根據(jù)水庫的實際調(diào)度運行情況，假定庫水位從正常蓄水位172.00m下降至166.00m，然后再上升至172.00m，并將上述升降過程記為一次循環(huán)，在模擬計算過程中，分別計算壩前水位進行16次升降循環(huán)變化對壩體和面板應(yīng)力變形的影響，并以此為基礎(chǔ)探討水位升降變化對面板脫空特征的影響。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 壩體和面板應(yīng)力變形分析

利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計算模型，對不同水位升降循環(huán)下的壩體和面板的應(yīng)力和位移進行模擬計算(見表2和表3)。由計算結(jié)果可知，隨著水庫水位升降變化循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，大壩的壩體和面板應(yīng)力變形指標均呈現(xiàn)出比較明顯的變化。具體來看，壩體的沉降變形量、下游向水平位移以及大主應(yīng)力和小主應(yīng)力均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，壩體的上游向水平位移則隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小。大壩面板的撓度和順坡向應(yīng)力也隨著循環(huán)次數(shù)的增大而增大。由此可見，庫水位的循環(huán)變化會對大壩的壩體和面板的應(yīng)力變形產(chǎn)生不同程度的影響，水荷載的循環(huán)作用會加劇大壩壩體和面板之間的不協(xié)調(diào)變形，造成面板脫空的可能性有所加大。因此，在大壩設(shè)計過程中，有必要考慮庫水位升降變化的影響，保證大壩的安全穩(wěn)定運行。

表2 壩體應(yīng)力變形最大值計算結(jié)果

表3 面板應(yīng)力變形最大值計算結(jié)果分析

3.2 面板脫空計算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值模型，進行不同庫水位循環(huán)升降條件下的大壩面板脫空計算。由計算結(jié)果可知，在不同庫水位循環(huán)升降次數(shù)條件下，面板脫空的分布規(guī)律基本相似，僅在脫空的數(shù)值方面存在比較明顯的差異。為了進一步研究庫水位升降循環(huán)變化對面板脫空的影響規(guī)律和特征，提取面板脫空的長度、寬度和深度的最大值數(shù)據(jù)，繪制面板脫空長度、寬度和深度最大值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線(見圖2～圖4)。從中可知，隨著庫水位升降循環(huán)次數(shù)的增加，面板的脫空長度、深度和寬度的最大值均呈現(xiàn)出不斷增大的態(tài)勢，循環(huán)次數(shù)較少時增加比較迅速，之后逐步趨于平緩?？傊?，庫水位的循環(huán)升降作用，會加劇大壩混凝土面板的脫空現(xiàn)象，對面板乃至大壩的安全穩(wěn)定運行造成不利影響，因此在大壩的設(shè)計和運行階段，需要針對庫水位升降變化對面板脫空的影響采取有針對性的措施，保證大壩的安全穩(wěn)定運行。

圖2 面板脫空長度隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖3 面板脫空寬度隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖4 面板脫空深度隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

4 結(jié) 論

此次研究以關(guān)門山水庫混凝土面板堆石壩為例，利用數(shù)值模的方法研究了庫水位升降變化對面板脫空的影響，獲得的主要結(jié)論如下：庫水位的循環(huán)變化會對大壩的壩體和面板的應(yīng)力變形產(chǎn)生不同程度的影響，水荷載的循環(huán)作用會加劇大壩壩體和面板之間的不協(xié)調(diào)變形，造成面板脫空的可能性有所加大；隨著庫水位升降循環(huán)次數(shù)的增加，面板的脫空長度、深度和寬度的最大值均呈現(xiàn)出不斷增大的態(tài)勢，循環(huán)次數(shù)較少時增加比較迅速，之后逐步趨于平緩。

綜合研究成果，庫水位的循環(huán)升降作用，會加劇大壩混凝土面板的脫空現(xiàn)象，對面板乃至大壩的安全穩(wěn)定運行造成不利影響，因此，在大壩的設(shè)計和運行階段，需要采取有針對性的措施，保證大壩的安全穩(wěn)定運行。