新疆鏨高水電站覆蓋層上泄洪沖沙閘三維有限元沉降變形計(jì)算分析

鄧?yán)硐?，吳俊?/p>

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐的加快以及響應(yīng)“一帶一路”政策，近年來(lái)新疆水利工程建設(shè)進(jìn)展迅猛，深厚覆蓋層上修建的水閘工作也逐年增多[1]。然而，復(fù)雜的不良地基條件給水利水電工程建設(shè)帶來(lái)了一定的困難[2]。本工程位于新疆葉爾羌河道，上游段下坂底河床段覆蓋層厚度達(dá)到了150m[3]，中段的阿爾塔什水利樞紐工程壩址區(qū)覆蓋層達(dá)到了94m[4]，整條河道覆蓋層一般深達(dá)也在40～70m，這種復(fù)雜的不良地基條件給工程建設(shè)帶來(lái)了一定的困難，由于深厚覆蓋層的不均勻性[5]，工程的各結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)縫不均勻沉降如果控制不好，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縫變形過(guò)大，使得止水失效，最終可能產(chǎn)生滲透破壞[6- 9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)近40年，由于深厚覆蓋層上建筑物變形控制不當(dāng)導(dǎo)致失事的水閘和大壩，約占失事工程的25%，另?yè)?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)外建于軟基及覆蓋層上的水工建筑物，約有一半事故是由于壩基滲透破壞、沉陷太大或滑動(dòng)等因素導(dǎo)致的[10- 13]。因此，河道段深厚覆蓋層上建筑物的變形控制成為目前設(shè)計(jì)階段研究?jī)?nèi)容重要部分。對(duì)南疆莎車縣脫貧工作起到積極推進(jìn)作用的鏨高水電站工程來(lái)說(shuō)，安全運(yùn)行顯得更加重要[14]。根據(jù)規(guī)范要求[15]要求，認(rèn)為天然土質(zhì)地基上的閘室最大沉降量不宜超過(guò)15cm，最大沉降差不宜超過(guò)5cm。特別要注意的是，在永久縫中所采用的止水結(jié)構(gòu)，要能滿足在發(fā)生相應(yīng)沉降差時(shí)仍能保證止水完好的要求。本文建立泄洪沖砂閘、連接板、防滲墻、護(hù)坦的三維有限元計(jì)算模型，覆蓋層靜力本構(gòu)采用鄧肯張E-B模型，研究閘室與連接板的剪切變形量以及水閘沉降變形情況[16- 23]。

1 工程概況

鏨高水電站是葉爾羌河干流阿爾塔什以下河段水電規(guī)劃梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第1級(jí)電站，為引水式電站，其上游為阿爾塔什水利樞紐，下游為恰木薩水電站。鏨高水電站位于新疆喀什地區(qū)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)境內(nèi)，攔河樞紐距廠房9km，廠房距莎車縣約97km。目前工程區(qū)右岸沿現(xiàn)有道路可達(dá)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)，霍什拉甫鄉(xiāng)現(xiàn)有道路與卡群水電站連接可至莎車縣、澤普縣；工程區(qū)左岸利用甘加特溝道路可達(dá)阿爾塔什進(jìn)場(chǎng)道路，可至莎車縣；左右岸施工對(duì)外交通比較便利。

水庫(kù)正常蓄水位1611m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容1656.1萬(wàn)m3，死水位1608m，死庫(kù)容1045.1萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容611萬(wàn)m3，壓力前池正常水位1608.0m，電站總裝機(jī)容量185MW，多年平均年發(fā)電量5.653億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3054h，其中主電站裝機(jī)容量180MW，多年平均年發(fā)電量5.25億kW·h，發(fā)電設(shè)計(jì)流量375.6m3/s；生態(tài)電站裝機(jī)容量5MW，多年平均年發(fā)電量0.4億kW·h，下泄生態(tài)流量41m3/s。工程等別為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。

攔河引水樞紐擋泄水建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇(P=2%、洪峰流量Q=4339m3/s)設(shè)計(jì)，500年一遇(P=0.2%、洪峰流量Q=5746m3/s)校核。主電站發(fā)電廠房按100年一遇(P=1%、洪峰流量Q=5265m3/s)設(shè)計(jì)，200年一遇(P=0.5%、洪峰流量Q=5657m3/s)校核。引水渠及渠系防洪建筑物工程按30年一遇(P=3.33%)設(shè)計(jì)，100年一遇(P=1%)校核。

工程地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，工程抗震設(shè)防類別為丙類。泄洪沖沙閘的主要任務(wù)是：①泄洪，保證攔河引水樞紐運(yùn)行安全；②沖沙，確保發(fā)電引水閘和生態(tài)電站進(jìn)水口門(mén)前清。布置樁號(hào)壩0+344.88m—壩0+456.58m，壩0+519.20m—壩0+533.00m。進(jìn)口底板高程1595.00m，河床平均底高程為1594.5m，略高于河床底高程0.5m，以利于汛期泄洪沖沙。發(fā)電引水閘底板高程為1602.8m，生態(tài)電站進(jìn)水口底板高程為1600.0m，泄洪沖沙閘底板高程較發(fā)電引水閘底板高程低7.8m，較生態(tài)電站進(jìn)水口底板高程低5m，可有效防止推移質(zhì)泥沙進(jìn)入各引水建筑物，利于“門(mén)前清”。且在汛期還可以泄洪排沙，保證水庫(kù)反調(diào)節(jié)庫(kù)容要求。

泄洪沖沙閘共設(shè)20孔胸墻式水閘，孔口尺寸4.0m×4.0m(寬×高)。壩0+344.88m—壩0+456.58m段共布置18孔，采用三孔一連的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為18.6m，共分為6個(gè)結(jié)構(gòu)段。壩0+519.20m—壩0+533.00m段布置2孔。閘進(jìn)口底板高程1595.00m，閘頂高程1614.30m?？紤]閘門(mén)啟閉空間及閘墩頂部交通等因素，閘室長(zhǎng)度取21m，為C25、F300鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚2.0m，中墩厚1.8m，三孔一連閘室邊墩厚1.5m，兩孔一連閘室邊墩厚2.0m工程防滲系統(tǒng)大樣如圖1所示。

2 泄洪沖砂閘結(jié)構(gòu)

泄洪沖沙閘位于攔河壩上，閘底板高程為1595.00m，閘頂高程為1614.30m，共20孔，每孔設(shè)一道檢修閘門(mén)槽和一道工作閘門(mén)。檢修閘門(mén)：閘門(mén)采用下游面板，下游封水型式，懸臂輪支承，雙吊點(diǎn)，吊點(diǎn)距為3.34m。閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)材料采用Q235C，埋件結(jié)構(gòu)材料采用Q235B，主輪材料采用ZG310- 570。工作閘門(mén)：孔口尺寸4m×4m，設(shè)計(jì)水頭16m。設(shè)有1扇直支臂球型鉸弧形鋼閘門(mén)，閘門(mén)面板曲率半徑為8m，支鉸高度5.6m。門(mén)葉結(jié)構(gòu)和支臂材料采用Q235C；鉸鏈、鉸座材料選用ZG310- 570，鉸軸直徑φ180mm，材料為40Cr，軸承采用GEW240HFZB053- 2RS自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承。閘門(mén)頂水封采用一道“P”型橡皮和一道轉(zhuǎn)鉸式水封，其中轉(zhuǎn)鉸式水封設(shè)在門(mén)楣上，另一道設(shè)在門(mén)葉上。側(cè)水封采用“P”型方頭橡皮，側(cè)向設(shè)有自潤(rùn)滑導(dǎo)向滑塊。閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)按運(yùn)輸單元分節(jié)制造，運(yùn)至工地后在現(xiàn)場(chǎng)拼焊成整體。埋件結(jié)構(gòu)材料采用Q235C。閘門(mén)動(dòng)水啟閉，避開(kāi)振動(dòng)區(qū)控制開(kāi)度運(yùn)行，由容量為630/400kN(啟門(mén)力/閉門(mén)力)的擺動(dòng)式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，液壓缸安裝在1607.50m高程的平臺(tái)上，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的控制設(shè)備(泵站、油箱、電氣設(shè)備)布置在1607.00m高程的閘頂平臺(tái)上，金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件具體數(shù)量及重量見(jiàn)表1。

表1 泄洪沖砂閘金屬結(jié)構(gòu)

3 基本地質(zhì)條件

鏨高壩址位于西昆侖山東部中低山區(qū)，葉爾羌河由霍斯拉甫大彎曲轉(zhuǎn)為較順直段，流向近北東向。壩址為寬“U”形河谷，左岸有Ⅰ—Ⅳ級(jí)階地分布，Ⅰ、Ⅲ級(jí)階地分布不連續(xù)，Ⅱ、Ⅳ級(jí)階地分布相對(duì)而言較連續(xù)，總體坡度在30°～35°，地形相對(duì)較緩。右岸為一北東向延伸的基巖山梁，岸坡自然坡度45°～55°?，F(xiàn)代河床500m左右，發(fā)育漫灘、心灘。河床覆蓋層為第四系沖積砂卵石，最大厚度55m為深厚砂礫石覆蓋層，主要為砂卵礫石層夾有多層缺細(xì)粒充填卵礫石(強(qiáng)滲層)，為強(qiáng)透水層。

4 有限元計(jì)算模型

根據(jù)規(guī)范要求，水閘地基在各種運(yùn)用情況下均應(yīng)滿足承載力、穩(wěn)定和變形的要求。水閘地基計(jì)算應(yīng)根據(jù)地基情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工條件進(jìn)行。同時(shí)，土質(zhì)地基允許最大沉降量和最大沉降差應(yīng)以保證水閘安全和正常使用為原則。由于本工程的泄洪沖砂閘位于深厚覆蓋層上，閘室屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的二維計(jì)算無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)閘室的自重與重心對(duì)覆蓋層壓力及最大沉降的影響，同時(shí)無(wú)法考慮混凝土結(jié)構(gòu)與覆蓋層之間的接觸作用。本次僅計(jì)算竣工期、正常蓄水期上2個(gè)工況下三維閘室自重+金屬結(jié)構(gòu)自重對(duì)覆蓋層基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降變形量。

4.1 泄洪閘幾何模型建立及網(wǎng)格剖分

本工程閘室三維有限元網(wǎng)格模型如圖2—3所示，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為20688個(gè)，單元總數(shù)為14887個(gè)。護(hù)坦結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1806個(gè)，單元總數(shù)為1220個(gè)，防滲墻結(jié)點(diǎn)總數(shù)為2184個(gè)，單元總數(shù)為1500，以上所有結(jié)構(gòu)除鋼閘門(mén)為殼單元，其余均為六面體實(shí)體單元。模型覆蓋層底部全約束，順?biāo)?、垂直水流面均為法向約束。

4.2 計(jì)算工況及荷載組合

為了更好的模擬閘室在各個(gè)工況時(shí)的沉降量及結(jié)構(gòu)縫的變形量，本次計(jì)算完建期考慮閘室混凝土自重+基礎(chǔ)自重+金屬結(jié)構(gòu)自重。正常蓄水工況時(shí)還需考慮混凝土與水接觸部位的壓力、基礎(chǔ)底部的揚(yáng)壓力等，各個(gè)工況荷載組合見(jiàn)表2。施工工序模擬按照“基礎(chǔ)開(kāi)挖—地應(yīng)力平衡—防滲墻施工—基礎(chǔ)回填—閘室分層澆筑—金屬結(jié)構(gòu)安裝—正常運(yùn)行”進(jìn)行，在水閘施工過(guò)程中的變位是逐級(jí)進(jìn)行疊加，地基沉降變形在逐級(jí)荷載下呈現(xiàn)出非線性特性。

表2 各個(gè)工況荷載組合

4.3 有限元計(jì)算方法及成果分析

鏨高水電站距阿爾水利樞紐工程壩址區(qū)直線距離15km左右，本工程覆蓋層為砂礫石覆蓋層，最大深度55m，屬于深厚覆蓋層。該與阿爾塔什水利樞紐工程很近，因此，覆蓋層計(jì)算參數(shù)采用阿爾塔什水利樞紐工程的大連理工大學(xué)室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)成果，見(jiàn)表3。同時(shí)，蓋層受閘室+金屬結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的沉降變形，采用鄧肯(Ducan)E-B非線性模型模擬，混凝土采用線彈性模型模擬。由于防滲墻、連接板混凝土剛度遠(yuǎn)大于覆蓋層砂礫石剛度，在結(jié)構(gòu)自重及水壓力作用下，2種介質(zhì)之間因變形不協(xié)調(diào)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，模型中閘室底板與覆蓋層、連接板與覆蓋層、防滲墻與覆蓋層之間相互錯(cuò)動(dòng)作用采用ABAQUS軟件中的罰函數(shù)接觸模型模擬，摩擦系數(shù)取0.3，ABAQUS軟件功能不再贅述。

表3 覆蓋層Duncan-EB模型材料參數(shù)表

4.4 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

施工期進(jìn)行了地應(yīng)力平衡，為后續(xù)計(jì)算提供應(yīng)力場(chǎng)及平衡后的位移場(chǎng)，竣工期閘室自重加上金屬結(jié)構(gòu)對(duì)砂礫石覆蓋層產(chǎn)生的沉降量最大值為1.87cm，如圖4(a)所示，在自重作用下，閘室對(duì)基礎(chǔ)的變形量要比連接板、護(hù)坦基礎(chǔ)產(chǎn)生變形量大，連接板與閘室進(jìn)口沉降高差為0.74cm，如圖4(a)中放大圖所示，小于該段連接板與閘室進(jìn)口段之間止水允許變形量10cm的要求。正常運(yùn)行期在水荷載作用下，覆蓋層產(chǎn)生的沉降量最大值為2.41cm，如圖4(b)所示。閘室前段護(hù)坦及連接板受水荷載作用更加貼合基礎(chǔ)，同時(shí)水閘在揚(yáng)壓力作用下有微小上抬，此時(shí)，護(hù)坦與閘室進(jìn)口沉降高差為0.03cm，如圖4(b)中放大圖所示，遠(yuǎn)小于該段連接板與閘室進(jìn)口段之間止水允許變形量10cm的要求。上述2個(gè)工況下閘室對(duì)覆蓋層再次固結(jié)產(chǎn)生的沉降影響不大，總的變形量很小，且均能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程為Ⅲ等中型工程，鑒于深厚覆蓋上，閘室與連接板的沉降差及閘室整體的沉降問(wèn)題對(duì)整個(gè)工程安全運(yùn)行至關(guān)重要，通過(guò)三維有限法計(jì)算泄洪沖砂閘基礎(chǔ)沉降及結(jié)構(gòu)縫間沉降差計(jì)算成果表明：

(1)竣工期、正常運(yùn)行期，覆蓋層產(chǎn)生的沉降量最大值分別為1.87、2.41cm，遠(yuǎn)小于規(guī)范15cm的要求，表明閘室在上述2個(gè)工況下基礎(chǔ)沉降滿足規(guī)范要求，同時(shí)說(shuō)明結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)尺寸合適。閘室與連接板之間沉降差最大值分別為0.74、0.03cm，遠(yuǎn)小于規(guī)范5cm的要求，也小于該處止水最大允許剪切變形量10cm的要求。表明閘室在上述兩個(gè)工況下結(jié)構(gòu)縫中止水不會(huì)被剪破。

(2)針對(duì)此類建于覆蓋層上水閘工程，可采用三維有限元法進(jìn)行計(jì)算閘室沉降及結(jié)構(gòu)縫剪切變形，為水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。