軟巖堆石壩三維有限元變形分析

汪 濤

(吉林省水利水電勘測設計研究院，長春130021)

1 工程概況

南烏江六級水電站位于老撾人民民主共和國豐沙里省境內(nèi)，為南烏江七級開發(fā)方案的第六級。壩址位于南烏江右岸支流南艾河(Nam Ngay)河口下游約1 km ～南龍河(Nam Long)河口間長約3 km的河段內(nèi)，距下游的哈灑(HatXa)渡口約3.7 km。

電站主要建筑物包括:堆石壩、引水隧洞、地面廠房、溢洪道、導流兼泄洪洞、導流兼泄洪放空洞等。電站裝機容量180 MW，保證出力72.8 MW，多年平均發(fā)電量7.39 億kW·h。電站采用堤壩式開發(fā)，以發(fā)電為主，壩址部位多年平均徑流量161 m3/s，水庫死水位495 m，正常蓄水位510 m，相應庫容4.09 ×108m3，調(diào)節(jié)庫容1.99 ×108m3，具有季調(diào)節(jié)性能。其中:堆石壩壩頂長352 m，壩頂高程515 m，最低建基面高程427 m，最大壩高88 m;壩頂寬度為8 m，上下游壩坡坡度均為1∶1.6，下游壩坡在高程458 m設置一條馬道，馬道寬3 m。壩體最大剖面圖見圖1。

電站為二等大(2)型工程，主要建筑物(擋水、泄洪和引水發(fā)電建筑物)級別為2 級，次要建筑物級別為3 級，臨時建筑物級別為4 級。本工程的壅水及泄洪建筑物按500 a一遇洪水設計，按入庫可能最大洪水(PMF)校核;引水發(fā)電建筑物按100 a一遇洪水設計，500 a一遇洪水校核;泄洪消能防沖建筑物按50 a一遇洪水設計［1－2］。

2 計算模型

根據(jù)工程的實際情況和計算要求，建立以下計算模型:

X 軸為順河向，向下游為正。上游邊界為從上游壩腳向上游方向50m，下游邊界為從下游壩趾向下游方向取50 m。

Y 軸為壩軸線向(橫河向)，向左岸為正。計算邊界取左右岸壩肩各50 m。

Z 軸為豎直向，向上方為正。計算邊界向下一般截取至壩基以下0.5 ～1 倍壩高，本計算取50 m(最大壩高88 m);向上按實際地形［3－4］。

對上述計算域進行網(wǎng)格剖分，得到有限元計算網(wǎng)格。壩體網(wǎng)格以空間六面體等參單元為主，在壩建基面等某些部位適當填充空間五面體等參單元，以更好地適應大壩建基面幾何形狀的劇烈變化。整個計算區(qū)域共剖分結(jié)點15 228個，單元13 397個，有限元網(wǎng)格見圖2。

圖1 壩體最大剖面圖

圖2 三維有限元計算網(wǎng)格

3 靜力計算工況和材料參數(shù)

靜力計算選取表1 中的3個典型工況進行計算。

表1 靜力計算工況

三維有限元計算中壩體材料本構(gòu)關系采用鄧肯張E －B 本構(gòu)模型，壩基巖體采用彈性本構(gòu)模型，考慮到壩體材料較軟，根據(jù)經(jīng)驗，對常規(guī)實驗參數(shù)建議值進行了適當?shù)慕档停?－6］。各種堆石料的鄧肯E －B 模型計算參數(shù)根據(jù)工程類比及經(jīng)驗值確定如表2所示。

表2 三維靜力有限元計算參數(shù)

4 壩體變形分析

經(jīng)計算，得各種工況下壩體順河向與豎向最大位移如表3 所示。

水平位移以指向下游為正，指向上游為負;豎向位移以向上為正，向下為負;壩軸線方向水平位移以指向左岸為正，指向右岸為負;應力以壓應力為正，拉應力為負［7］。

表3 最大剖面在各工況下的最大位移值

最大剖面在上述3 種工況下的位移等值線圖如圖3、圖4 所示。

圖3、圖4 分別為填筑到壩頂高程時最大剖面的沉降和水平位移等值線圖。最大沉降為82.4 cm，位于壩軸線附近1/2 壩高左右。壩體上游部分的水平位移呈向上游移動的趨勢，最大值為27.7 cm，發(fā)生在壩體中下部靠近上游壩面附近;壩體下游部分的位移呈向下游移動的趨勢，最大位移為26.4 cm，發(fā)生在壩體中下部靠近下游壩面附近。順河向的水平位移等值線圖沿壩軸線近似呈對稱分布［8］。

圖3 最大剖面施工期沉降等值線圖

圖4 最大剖面施工期水平位移等值線圖

圖5、圖6 分別為蓄水至正常水位時最大剖面的沉降和水平位移等值線圖。正常蓄水位工況下，壩體沉降分布規(guī)律與竣工期相似，僅數(shù)值有所變化，最大沉降從竣工期的82.4 cm增大到85.2 cm，變化不是很明顯，說明壩體沉降在竣工時已基本完成［9］。

與竣工期位移相比，壩體水平位移分布規(guī)律變化較為明顯，由于上游水壓力平衡了上游側(cè)壩體指向上游坡外的部分位移，盡管壩體上游部分的位移仍向上游，但比竣工期相比減少了一大半，最大值為12.8 cm;壩體下游部分的位移呈向下游移動的趨勢，最大位移由26.4 cm增大至31.7 cm，發(fā)生在壩體中下部靠近下游壩面附近。由此說明，蓄水后上游壩坡水壓力對壩體水平位移有很顯著的影響。

圖5 最大剖面正常蓄水期沉降等值線圖

圖6 最大剖面正常蓄水期水平位移等值線圖

圖7、圖8 分別為校核洪水位時最大剖面的沉降和水平位移等值線圖。校核洪水位工況下，壩體垂直和水平位移分布規(guī)律與正常蓄水位工況下的位移分布相似，僅數(shù)值有所變化，最大沉降從85.2 cm 增大到85.8 cm。

壩體上游部分的位移仍向上游，最大值為11.6 cm;壩體下游部分的位移呈向下游移動的趨勢，最大位移由31.7 cm 增大至32.4 cm。

與正常蓄水位下位移相比較，可以看到豎直沉降與水平位移都略有增大，但變化不明顯，這主要是由于校核洪水位與正常蓄水位比較相近。由此也說明，庫水位由正常蓄水位增高到校核洪水位過程中，水壓力增量所產(chǎn)生的位移增量較小。

圖7 最大剖面校核洪水位沉降等值線圖

圖8 最大剖面校核洪水位水平位移等值線圖

5 結(jié) 語

對壩體在施工完建期、正常蓄水位和校核洪水位3 種工況進行了三維非線性變形計算，分析了壩體在施工完建期、正常蓄水位以及校核洪水位工況下的變形規(guī)律。

從計算結(jié)果可以看出壩體在上述3 種工況下的變形狀態(tài)基本符合一般規(guī)律。因壩體采用了軟巖堆石料填筑，計算時各區(qū)材料的鄧肯張E－B 模型參數(shù)取值偏于保守，所以，壩體最大沉降值幾乎接近壩高的1%，但也在合理的范圍內(nèi)［10］。

若材料參數(shù)取值大一些，壩體的位移可能會小一些，由此說明軟巖堆石料應用于南烏江六級水電站筑壩是可行的。

［1］顧淦臣，束一鳴，沈長松．土石壩工程經(jīng)驗與創(chuàng)新［M］．北京:中國電力出版社，2004:29 －35．

［2］中華人民共和國水利部．SL274—2001 碾壓式土石壩設計規(guī)范［S］．北京:中國水利水電出版社，2002．

［3］胡東，梁勇，史光宇，姜殿成. 松山面板堆石壩三維有限元靜力分析［J］. 東北水利水電，2005，23(11):23 －24.

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