面板堆石壩壩身溢洪道應(yīng)力變形及安全穩(wěn)定分析

陳云雀，景霞娟，李玉芬，雷文娟

(1.浙江省水利水電技術(shù)咨詢(xún)中心，浙江 杭州 310020；2.長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 概述

溢洪道作為水庫(kù)防洪設(shè)施，在泄洪時(shí)起著保護(hù)大壩安全的重要作用，一旦失事，后果十分嚴(yán)重[1]。比如最近發(fā)生的美國(guó)奧羅維爾(Oroville)大壩險(xiǎn)情，更讓世人清楚地認(rèn)識(shí)到了溢洪道的重要性，作為美國(guó)最高水壩(最大壩高234m)，大壩溢洪道在泄洪時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)61m、深9m的大洞，大量洪水溢出，近19萬(wàn)居民被迫緊急大撤離[2-4]，社會(huì)影響巨大。對(duì)于溢流式面板堆石壩，因其顯著的特點(diǎn)正日益受到國(guó)內(nèi)外壩工界的重視[5]，如新疆榆樹(shù)溝水庫(kù)CFRD工程[6]、浙江麗水大弈坑面板堆石壩[7]、新疆保爾德面板堆石壩[8]、桐柏抽水蓄能電站面板堆石壩[9]等。壩身溢洪道修建在以松散介質(zhì)為材料、人工碾壓填筑的堆石體上，同時(shí)又經(jīng)受高速水流作用，如果失事，其后果將比岸邊式溢洪道嚴(yán)重得多。

因此，下面以白河溝水利工程為例，利用ADINA有限元軟件對(duì)壩身溢洪道的應(yīng)力變形特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究。

2 工程概況

白河溝水利樞紐[10-11]位于盤(pán)縣西部平關(guān)鎮(zhèn)，由攔河壩、泄洪建筑物、輸水建筑物等組成。水庫(kù)正常蓄水位為1840.00m，正常蓄水位以下庫(kù)容為1400萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位為1841.09m，相應(yīng)庫(kù)容為1530萬(wàn)m3，校核洪水位為1842.26m，總庫(kù)容為1670萬(wàn)m3。工程等別為III等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。

攔河壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高60.4m(壩頂高程為1844.4m)，壩頂寬8m，壩頂長(zhǎng)195m，壩體上下游邊坡均為1∶1.4，下游壩面設(shè)置1級(jí)馬道。壩頂溢洪道布置于面板堆石壩上，位于壩體左壩段，溢洪道中心線(xiàn)樁號(hào)為橫左0+019.500，由溢流堰進(jìn)口段、泄槽、挑流鼻坎組成。進(jìn)口段設(shè)2孔，每孔凈寬15m，中間設(shè)1m中墩。溢流堰采用駝峰堰，堰頂高程為1840m，堰上不設(shè)閘門(mén)。溢流前沿凈寬30m，全長(zhǎng)103.257m。泄槽由3段組成，坡比依次為1∶1.4、1∶4和1∶1.4。挑流鼻坎以下為C15混凝土基礎(chǔ)。溢洪道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(橫左0+019.500)

3 計(jì)算模型及參數(shù)

壩身溢洪道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上分縫較多，在進(jìn)行大壩整體有限元分析時(shí)，由于保證壩身溢洪道應(yīng)力計(jì)算精度的建模和網(wǎng)格剖分難度較大，為確保溢洪道處應(yīng)力變形狀態(tài)真實(shí)可靠，本文采用子模型技術(shù)來(lái)分析壩身溢洪道的應(yīng)力變形情況。

3.1 計(jì)算模型

整體有限元模型范圍為：壩體左右岸分別向外延伸30m，上游面向上游延伸30m，下游面向下游延伸40m，壩底最低點(diǎn)向下延伸40m至1741m高程。模型按照實(shí)際體型建模，單元數(shù)共計(jì)23959個(gè)，如圖2所示。

圖2 整體有限元模型(下游視圖)

壩身溢洪道有限元子模型包括溢流堰進(jìn)口段、泄槽、挑流鼻坎以及溢流面以下C15混凝土、墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、部分堆石體、部分地基等。子模型單元數(shù)共計(jì)23799個(gè)，如圖3所示。

圖3 壩身溢洪道子模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

堆石體、墊層材料采用非線(xiàn)性彈性模型的鄧肯E-B模型[12-14]；而面板和溢洪道材料都是混凝土材料，計(jì)算時(shí)采用線(xiàn)彈性模型計(jì)算；地基材料也采用線(xiàn)彈性模型；溢洪道結(jié)構(gòu)縫采用有厚度接觸單元[15-16]模擬。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1—4。

表1 壩料Ducan E-B模型計(jì)算參數(shù)表

表2 地基材料參數(shù)

表3 混凝土材料參數(shù)

表4 有厚度接觸單元計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

本次應(yīng)用子模型技術(shù)進(jìn)行了壩身溢洪道有限元分析，擬了解泄洪工況下溢洪道應(yīng)力變形情況、混凝土底板應(yīng)力變形規(guī)律和溢洪道底板結(jié)構(gòu)縫的變形形態(tài)，同時(shí)考慮增大泄水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力(3倍動(dòng)水壓力工況)，分析擴(kuò)大動(dòng)水壓力后對(duì)溢洪道的影響。

4.1 溢洪道軸線(xiàn)剖面應(yīng)力變形

溢洪道鉛直沉降主要集中在堰頂段和泄槽Ⅰ處，軸線(xiàn)剖面位置的最大沉降發(fā)生在堰頂?shù)撞慷咽?基本在5cm左右)，而泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ區(qū)域基本沒(méi)有沉降發(fā)生，主要原因?yàn)樾共邰蚝托共邰笮藿ㄔ诨鶐r上。當(dāng)增大溢洪道泄洪產(chǎn)生的動(dòng)水壓力值時(shí)，溢洪道的鉛直沉降及下游向位移極值基本沒(méi)有變化，溢洪道泄水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力擴(kuò)大3倍后，對(duì)順河向的位移影響不大。

溢洪道小主應(yīng)力(拉應(yīng)力)較小，但在溢洪道堰頂上游側(cè)底板與面板交界處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，泄洪工況為1.53MPa左右的拉應(yīng)力，在超動(dòng)水壓力(3倍動(dòng)水壓力)作用下，應(yīng)力集中情況有所加劇，但是影響并不顯著，交界處的應(yīng)力極值為1.55MPa，仍在許可范圍內(nèi)。大主應(yīng)力(壓應(yīng)力)極值明顯大于鉛直向應(yīng)力極值，水庫(kù)泄水作用對(duì)壓應(yīng)力增幅明顯，應(yīng)力極值發(fā)生在泄槽Ⅰ中段底板處，主要原因?yàn)樾顾饔檬剐共邰駞^(qū)中部為增壓區(qū)。當(dāng)增大溢洪道泄洪產(chǎn)生的動(dòng)水壓力值時(shí)，壓應(yīng)力極值明顯增大，可見(jiàn)，動(dòng)水壓力對(duì)溢洪道壓應(yīng)力影響較大。泄水工況及3倍動(dòng)水壓力工況下溢洪道軸向剖面應(yīng)力變形極值見(jiàn)表5。

表5 溢洪道軸向剖面應(yīng)力變形極值表

4.2 溢洪道底板應(yīng)力變形

與堆石壩整體模型在溢洪道軸線(xiàn)剖面位置的變形相比，整個(gè)溢洪道子模型的位移變形都比較小，而溢洪道底板的位移變形更小，為毫米量級(jí)。經(jīng)分析，溢洪道底板的位移變形主要為沉降位移和順河向位移，沉降位移基本發(fā)生在堰頂段和泄槽Ⅰ段，泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ段基本為零，這與溢洪道的布置相關(guān)；順河向位移基本為下游向位移，自堰頂?shù)教艨惨来螠p小。泄水工況及3倍動(dòng)水壓力工況下，溢洪道底板位移變形基本相同，僅泄槽Ⅰ段的沉降位移相對(duì)于泄水期稍有增大，見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)，增大泄水水壓力對(duì)溢洪道位移變形影響不大，不會(huì)影響溢洪道正常工作。

表6 溢洪道底板位移變形極值表 單位：mm

溢洪道底板的應(yīng)力情況與溢洪道子模型的應(yīng)力量級(jí)上相差不是很大，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力值在堰頂段和泄槽Ⅰ區(qū)域較大，但在泄槽Ⅱ區(qū)和泄槽Ⅲ區(qū)數(shù)值很小。增大泄洪動(dòng)水壓力對(duì)底板拉應(yīng)力的增大基本沒(méi)有影響，但會(huì)增大底板的壓應(yīng)力值，本文采用3倍動(dòng)水壓力，壓應(yīng)力值增大不是很明顯，見(jiàn)表7?？梢?jiàn)，在3倍動(dòng)水壓力作用下不會(huì)對(duì)溢洪道造成強(qiáng)度破壞。

表7 溢洪道底板應(yīng)力極值表 單位：MPa

4.3 溢洪道結(jié)構(gòu)縫變形

本次分析的溢洪道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)縫的設(shè)置較多，有Ⅰ類(lèi)橫縫、Ⅰ類(lèi)縱縫、Ⅱ類(lèi)橫縫和Ⅱ類(lèi)縱縫，如圖4所示。整個(gè)面板堆石壩最大壩高為60.4m，屬于中低壩，而溢洪道修建在壩體左岸堆石體和下游地基上，變形量很小。同時(shí)，溢洪道底板下有C15混凝土或地基，且底板重力較小，另外，本次計(jì)算中未考慮堆石體后期沉降和流變等因素影響，此溢洪道的結(jié)構(gòu)縫變形很小。

圖4 壩身溢洪道分縫示意圖

4.4 溢洪道底板的抗滑穩(wěn)定性

通過(guò)溢洪道底板的應(yīng)力變形分析可知，泄水過(guò)程中，溢洪道底板應(yīng)力變形主要發(fā)生在溢洪道堰頂段和泄槽Ⅰ區(qū)域，泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ區(qū)域的應(yīng)力變形量都很小，且后兩個(gè)區(qū)域的泄槽底板坡度較小且都修建在基巖上，底板的穩(wěn)定性有保證。泄槽Ⅰ段的底板坡度為1∶1.4，坡度較大，且修建在人工碾壓堆石上，其穩(wěn)定性有待考究。而堰頂段布置在壩頂，為弧形結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上看一般不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。可見(jiàn)，白河溝溢洪道底板的穩(wěn)定性主要取決于泄槽Ⅰ段底板的穩(wěn)定性。

經(jīng)抗剪斷摩擦公式計(jì)算，在未考慮鋼筋的錨固力時(shí)，泄槽Ⅰ段底板抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1，不能滿(mǎn)足溢洪道的抗滑穩(wěn)定要求。泄槽Ⅰ段的底板坡度較陡，矩形底板不易穩(wěn)定，在實(shí)際施工中要采用加固措施，如設(shè)置混凝土錨梁等，以確保溢洪道的正常運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

溢流式面板堆石壩的溢洪道應(yīng)力變形及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性十分重要，能否較好的解決這個(gè)問(wèn)題直接影響著大壩的安全運(yùn)行。本文以白河溝工程為例，分析了溢洪道軸線(xiàn)剖面、底板、結(jié)構(gòu)縫的應(yīng)力變形情況以及溢洪道底板的抗滑穩(wěn)定性。經(jīng)分析可知，泄水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力會(huì)對(duì)壩身溢洪道的沉降位移和主壓應(yīng)力帶來(lái)一定影響，對(duì)順河向位移和主拉應(yīng)力影響不顯著；面板堆石壩壩身溢洪道會(huì)在上游底板與面板的交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予重視；為確保壩身溢洪道底板的抗滑穩(wěn)定性，施工過(guò)程中要注意混凝土錨固鋼筋等加固措施的設(shè)置。