竹壽水庫(kù)擴(kuò)容及調(diào)水工程大壩加高設(shè)計(jì)及應(yīng)力變形三維有限元分析

張 運(yùn) 花， 雷 楊

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

竹壽水庫(kù)擴(kuò)容及調(diào)水工程大壩加高設(shè)計(jì)及應(yīng)力變形三維有限元分析

張 運(yùn) 花， 雷 楊

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

竹壽水庫(kù)老壩壩型為粘土心墻碾壓石渣壩，最大壩高為63.4m，加高后新壩壩型改為混凝土面板堆石壩，最大壩高為98.1m，通過(guò)在老壩壩軸線部位打設(shè)混凝土防滲墻后，由防滲墻、連接板、趾板和面板構(gòu)成完整的防滲體系，有效解決了原壩體滲漏問(wèn)題。竹壽水庫(kù)庫(kù)容及調(diào)水工程大壩加高設(shè)計(jì)及應(yīng)力變形三維有限元分析也為其他工程類似補(bǔ)強(qiáng)加固及水庫(kù)擴(kuò)容項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了參考。

水庫(kù)擴(kuò)容；大壩加固與加高設(shè)計(jì)；應(yīng)力變形；三維有限元

0 引 言

原竹壽水庫(kù)樞紐工程位于四川省涼山州會(huì)理縣黃柏鄉(xiāng)境內(nèi)，是陰洞河上的一座中型水庫(kù)。大壩壩址以上流域面積69 km2，水庫(kù)總庫(kù)容為1 130萬(wàn)m3，有效庫(kù)容884.5萬(wàn)m3，死庫(kù)容100萬(wàn)m3，為中型水庫(kù)，設(shè)計(jì)灌溉面積3.2萬(wàn)畝。竹壽水庫(kù)擴(kuò)容后，水庫(kù)正常蓄水位2 444 m，總庫(kù)容3 516.2萬(wàn)m3，有效庫(kù)容2 907.2萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積8.06萬(wàn)畝，工程等別屬III等中型工程。

竹壽水庫(kù)大壩加高工程為原63.4 m高心墻土石壩上加高38.4 m，總壩高98.1 m，老壩壩高及加高高度均超過(guò)國(guó)內(nèi)已有類似工程。同時(shí)壩址區(qū)地震基本烈度Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g。因此，大壩加高工程在蓄水、運(yùn)行期及地震條件下的壩體不均勻變形、防滲體及止水的變形與安全、應(yīng)力與穩(wěn)定等是工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 原竹壽水庫(kù)攔河壩布置及安全鑒定結(jié)論

原竹壽水庫(kù)攔河大壩采用粘土心墻碾壓石渣壩，壩頂高程2 416.10 m，大壩全長(zhǎng)190.00 m，防浪墻頂高程2 417.10 m，壩頂寬度6.0 m，上游壩坡為1∶2.2～1∶2.8，設(shè)有兩級(jí)馬道。下游壩坡為1∶1.7～1∶1.9，下游坡亦設(shè)有兩級(jí)馬道。上、下游壩腳均設(shè)堆石棱體。壩坡保護(hù)上游為干砌塊石，下游采用干砌塊石拱圈+圈內(nèi)草皮護(hù)坡，干砌塊石厚度均為40 cm。礫質(zhì)土心墻頂寬6.0 m，墻頂高程2 415.3 m，上、下游邊坡均為1∶0.4；心墻上游坡上段自墻頂至2 370.9 m高程為反濾層，該高程以下為1975年施工時(shí)的臨時(shí)攔洪斷面被推平后的殘?bào)w形成的平臺(tái)，與心墻底部連成一體，使心墻呈一反“L”形。心墻上下游混合砂反濾層厚均為50 cm，坡度與心墻邊坡一致，并在上游混合砂反濾層前坡設(shè)復(fù)合土工膜，與礫質(zhì)土心墻聯(lián)合防滲，心墻下游坡與混合砂反濾層間鋪設(shè)土工布。原竹壽水庫(kù)大壩典型剖面圖詳見(jiàn)圖1。

2009年對(duì)竹壽水庫(kù)大壩進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)工作，結(jié)論如下：由于水庫(kù)建設(shè)期較長(zhǎng)、施工設(shè)備和施工工藝等原因，竹壽水庫(kù)大壩存在大壩下游壩坡安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求、繞壩滲漏問(wèn)題突出等安全隱患。為了保證當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和大壩本身的安全，結(jié)合擴(kuò)容調(diào)水工程，對(duì)水庫(kù)大壩樞紐工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固整治，消除安全隱患是十分必要的。

2 大壩加高與老壩壩體防滲系統(tǒng)加固設(shè)計(jì)

本工程加高部分壩體采用混凝土面板堆石壩，加高后大壩壩頂高程2 451.0 m，最大壩高98.10 m，壩頂長(zhǎng)度271.47 m，壩頂寬度10.00 m，壩頂上游設(shè)鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程2 452.20 m。壩體上游面坡比為1∶1.4，下游面坡比1∶1.5，在下游面設(shè)置寬度4.5 m的之字路。壩體從上游向下游依次分為：混凝土面板、墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游次堆石區(qū)及砌塊石護(hù)坡等區(qū)域。竹壽水庫(kù)加高大壩典型剖面圖詳見(jiàn)圖2。

圖2 加高大壩典型斷面圖

表1 壩料“南水”模型參數(shù)

原壩體心墻部位采用80 cm厚混凝土防滲墻加固；加高堆石壩體采用鋼筋混凝土面板與趾板共同作用形成壩體的防滲體，趾板通過(guò)周邊縫及止水與面板連接；混凝土防滲墻與趾板之間設(shè)置連接板?？紤]到原竹壽大壩堆石填筑質(zhì)量較差，為使加高堆石壩河床部位趾板及連接板坐落于相對(duì)穩(wěn)定基礎(chǔ)，挖除原大壩2 407.60 m高程以上壩殼堆石，從下至上依次采用碾壓堆石、過(guò)渡料和墊層料換填至2 412.60 m高程，以此作為加高堆石壩防滲體基礎(chǔ)。連接板下部局部設(shè)特殊墊層區(qū)。

3 大壩加高變形和應(yīng)力分析

采用三維有限單元進(jìn)行大壩加高施工期及運(yùn)行期壩體應(yīng)力和變形分析。

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

堆石料的本構(gòu)模型以沈珠江院士提出的“南水”雙屈服面彈塑性模型為主，該模型與非線性彈性模型相比，可以考慮堆石體的剪脹和剪縮特性，能夠較為真實(shí)地反映壩體的應(yīng)力應(yīng)變性狀。

竹壽水庫(kù)新填筑堆石料巖性為奧陶系紅石崖組(O1h)石英砂巖、細(xì)粒砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、巧家組(O2q)灰色薄―中厚層砂巖、白云巖、灰?guī)r等，根據(jù)設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)資料對(duì)加高壩體的堆石料和老壩壩體填筑料開(kāi)展了三軸CD試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)成果確定的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 三維應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果及分析

3.2.1 0+125斷面應(yīng)力變形

由于老壩1996年5月已經(jīng)竣工，至今已有20多年時(shí)間，老壩固結(jié)變形亦已完成，故只考慮新壩填筑及蓄水后的應(yīng)力變形及其對(duì)老壩應(yīng)力變形的影響，表2列出了0+125斷面的應(yīng)力變形特征值，其中應(yīng)力以壓為正，拉為負(fù)。

表2 大壩應(yīng)力變形特征值

計(jì)算結(jié)果顯示：由于新壩壩料模量較高，故最大水平位移發(fā)生在老壩壩體內(nèi)，最大沉降則發(fā)生新老壩的交界面上，竣工期壩體的最大沉降為38.3 cm，最大沉降約為該部位壩體高度的0.48%，蓄水后在上游水荷載作用下，最大沉降增大為39.9 cm；竣工期指向上下游方向的水平位移分別為12.0 cm和4.63 cm，蓄水后在水荷載作用下指向上游的最大變形減小為7.67 cm，指向下游的水平位移增大為5.21 cm。

由于本工程河谷寬高比約為2.6∶1，河谷較窄，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，最大大主應(yīng)力僅為自重的0.74倍，故最大沉降較小。由于防滲墻模量較大，在防滲墻部位產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中。竣工期和蓄水期壩體內(nèi)應(yīng)力水平均較小，沒(méi)有出現(xiàn)塑性破壞區(qū)域。

3.2.2 防滲墻應(yīng)力變形

由于防滲墻為新壩填筑至▽2 447.9 m后再進(jìn)行打設(shè)，竣工期防滲墻不會(huì)產(chǎn)生變形，故僅給出蓄水期的變形分布。對(duì)于壩軸向位移，表現(xiàn)為由兩側(cè)向河床部位的擠壓，指向右岸和指向左岸的變形分別為0.12 cm和0.11 cm，壩軸向位移總體上較小；對(duì)于順河向位移，在水荷載作用表現(xiàn)為指向下游的變形，最大值為10.6 cm，由于防滲墻上部采用換填堆石料且受連接板的頂托作用，防滲墻順河向變形自下而上表現(xiàn)為先增大后略有減??；對(duì)于垂直向位移，在上部水荷載作用下自下而上逐漸增大，最大值為0.48 cm。

表3 防滲墻應(yīng)力變形特征值

由于防滲墻在新壩填筑基本完成后再進(jìn)行打設(shè)，因而竣工期上下游面的應(yīng)力差別較小，防滲墻應(yīng)力也主要由自重所產(chǎn)生，拉壓應(yīng)力均較小。在蓄水期，對(duì)于壩軸向應(yīng)力，與變形方向相對(duì)應(yīng)，蓄水后上游面表現(xiàn)為中間受壓兩端受拉，下游面則基本表現(xiàn)為受壓，但兩側(cè)的壓應(yīng)力要明顯大于河床部位的壓應(yīng)力；對(duì)于大主應(yīng)力，由于蓄水期變形指向下游，因而下游面應(yīng)力大于上游面應(yīng)力，同時(shí)，由于岸坡附近墻的高度相對(duì)較小，加之邊界約束條件的影響，致使岸坡附近局部應(yīng)力集中，因而兩岸岸坡部位的應(yīng)力較大，最大壓應(yīng)力為12.0 MPa；對(duì)于小主應(yīng)力，上下游面均表現(xiàn)為中間部位受壓，兩側(cè)受拉，基本都在―1.0 MPa以內(nèi)，最大值為―1.74 MPa。

按混凝土極限壓應(yīng)變700 με、極限拉應(yīng)變100 με考慮，則C25混凝土的允許抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為19.6 MPa和―2.8 MPa，從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看，防滲墻的拉壓應(yīng)力均在C25素混凝土的允許范圍內(nèi)。

3.2.3 面板應(yīng)力變形

由于趾板置于老壩上且面板為壩體填筑完成后再澆筑，故面板撓度表現(xiàn)為自下而上逐步增大，最大值為6.37 cm，撓曲率為0.11%，在已建壩的實(shí)測(cè)撓曲率(0.02%～0.28%)范圍內(nèi)；面板軸向位移基本表現(xiàn)為由兩岸向河谷中央變形，右側(cè)面板指向左岸的最大變形為0.45 cm，左側(cè)面板指向右岸的最大變形為0.50 cm。

表4 面板應(yīng)力變形特征值

面板壩軸向應(yīng)力在河谷中部表現(xiàn)為受壓，最大壓應(yīng)力為1.47 MPa，左右側(cè)存在受拉區(qū)，最大拉應(yīng)力為1.25 MPa；順坡向應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為1.86 MPa，頂部存在拉應(yīng)力區(qū)，最大值0.68 MPa。拉壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土的允許抗拉和抗壓強(qiáng)度，混凝土面板不會(huì)發(fā)生破壞。

3.2.4 趾板與連接板以及連接板與防滲墻之間的相對(duì)變位

表5列出了防滲墻與連接板、連接板與趾板各個(gè)接縫的變形。其中水平錯(cuò)動(dòng)：壩軸向相對(duì)變形，上游側(cè)指向河谷為正；張開(kāi)：順河向相對(duì)變形，張開(kāi)為正；垂直錯(cuò)動(dòng)：垂直向相對(duì)變形，下游側(cè)向下為正。

表5 接縫變形 /mm

3.2.5 面板周邊縫和垂直縫變形

蓄水期周邊縫的三向變形和垂直縫最大張開(kāi)量見(jiàn)表6所示。

表6 周邊縫和垂直縫變形 /mm

對(duì)水平錯(cuò)動(dòng)，下游側(cè)較之上游側(cè)的錯(cuò)動(dòng)值要大，且整體上表現(xiàn)為向河谷中央收縮，最大水平錯(cuò)動(dòng)約為6 mm；對(duì)張開(kāi)量，連接板和防滲墻之間，在水荷載作用下，接縫呈閉合狀態(tài)，趾板和連接板之間也基本呈閉合狀態(tài)，但在兩側(cè)與岸坡接觸部位，局部呈張開(kāi)狀態(tài)，最大張開(kāi)量為0.74 mm；對(duì)垂直錯(cuò)動(dòng)，越靠近上游側(cè)沉降越小，加之防滲墻嵌固于基巖上，防滲墻自身的壓縮變形很小，因而連接板與防滲墻之間的錯(cuò)動(dòng)最大，最大值約為36 mm，趾板和連接板之間的錯(cuò)動(dòng)則較小，最大值約為2 mm。由此可見(jiàn)，三向變位中，僅連接板和防滲墻之間的垂直錯(cuò)動(dòng)較大，現(xiàn)有的止水結(jié)構(gòu)完全可以適應(yīng)這樣的變形?，F(xiàn)有趾板和連接板長(zhǎng)度的設(shè)置是合適的。

周邊縫三向變位中，切向錯(cuò)動(dòng)都指向河谷，右岸岸坡總體上較陡，因而剪切錯(cuò)動(dòng)量總體上較大，最大值為3.7 mm；對(duì)于沉陷，趾板位于覆蓋層部位的沉陷量較小，而趾板位于基巖部位的沉陷量相對(duì)較大，最大值為4.8 mm；兩岸部位的周邊縫基本處于張開(kāi)狀態(tài)，而河床部位的周邊縫基本處于閉合狀態(tài)，最大張開(kāi)量為2.0 mm。

在庫(kù)水壓力作用下，面板軸向位移指向河谷中央，兩岸附近面板產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力，因而這部份面板的垂直縫必然張開(kāi)，不過(guò)張開(kāi)量較小，最大值只有2.6 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

竹壽水庫(kù)老壩壩型為粘土心墻碾壓石渣壩，最大壩高為63.4 m，加高后新壩壩型改為混凝土面板堆石壩，最大壩高為98.1 m，通過(guò)在老壩壩軸線部位打設(shè)混凝土防滲墻后，由防滲墻、連接板、趾板和面板構(gòu)成完整的防滲體系，有效解決了原壩體滲漏問(wèn)題。采用三維有限單元方法對(duì)加高壩體進(jìn)行了施工填筑、蓄水運(yùn)行和運(yùn)行期發(fā)生地震的仿真模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示應(yīng)力變形規(guī)律與類似工程已建大壩的觀測(cè)成果類似，變形基本協(xié)調(diào)、可控?？梢?jiàn)竹壽水庫(kù)大壩加高設(shè)計(jì)方案是可行的，采取一定的工程措施后其安全性是有保障的。竹壽水庫(kù)庫(kù)容及調(diào)水工程大壩加高設(shè)計(jì)及應(yīng)力變形三維有限元分析也為其他工程類似補(bǔ)強(qiáng)加固及水庫(kù)擴(kuò)容項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 朱百里,沈珠江等.計(jì)算土力學(xué)[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社,1990:46-60.

[2] 顧淦臣,黃金明.混凝土面板堆石壩的堆石本構(gòu)模型和應(yīng)力應(yīng)變分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),1991,(1):12-24.

[3] 章為民,沈珠江.混凝土面板堆石壩三維彈塑性有限元分析[J].水利學(xué)報(bào),1992,(4):75-78.

[4] 李國(guó)英,米占寬禮.竹壽水庫(kù)擴(kuò)容工程可行性研究階段大壩加高有限元變形分析報(bào)告[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,2016.

[5] 唐巨山,丁邦滿.橫山水庫(kù)擴(kuò)建工程混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電, 2002,( 07):35-37.

[6] 江佩娟.橫山水庫(kù)混凝土面板周邊縫觀測(cè)資料分析[J].水力科技與經(jīng)濟(jì),2008,14(10):824-825.

張運(yùn)花(1984- )，女，山東菏澤人，大連理工大學(xué)水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)于中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事工程設(shè)計(jì)；

雷 楊(1984- )，女，四川巴中人，河海大學(xué)水文與水資源專業(yè)，工程師，現(xiàn)于中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事工程管理.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

2017- 07- 20

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1001- 2184(2017)04- 0107- 04