混凝土新老結合面狀態對大壩安全影響分析

李學軍

（河北省南水北調建設管理局，石家莊 050021）

丹江口水庫為南水北調中線的水源地，為滿足中線調水量的需要，對丹江口初期工程進行加高培厚。

水庫1958年9月正式開工興建，1968年第1臺機組發電，1973年初期工程建成。初期工程壩頂高程162m，正常蓄水位157m。

根據南水北調中線工程規劃（2001年修訂）的審查意見，要求加高丹江口水利樞紐大壩（加高14.6m至壩頂高程176.6m［1］）。大壩加高工程主要是對初期擋水建筑物進行加高和對通航建筑物進行改建。除右岸土石壩改線另建和左岸土石壩左端延長外，其余擋水建筑物均在初期工程的基礎上加高和改建。

雖然大壩加高在國外已有許多工程實例，丹江口大壩加高是在初期工程運行使用的條件下進行加高施工，其加高施工規模、大壩高度、技術難度在國內外均屬少見，對于大壩加高工程設計施工無專門的技術規定，亦無成熟可供借鑒的經驗，所以在丹江口地區氣候環境、施工條件下，實施大壩加高工程存在諸多需要研究的關鍵技術問題。

本文選定丹江口水庫上游面水平裂縫最嚴重的1#壩段為例，研究新老混凝土結合面狀態對壩段抗滑穩定的影響。研究方法與通常的剛體極限平衡法有所不同，主要用有限元法直接反力法［2］求出各個可能滑動面上的內力，利用重力壩規范［3］推薦的方法求出壩體抗剪斷與抗剪抗滑穩定安全系數，最后給出結論建議。

1 計算方法

本文采用的SAPTIS［4］有限元分析程序是一款多功能有限元分析程序，由中國水利水電科學研究院結構材料研究所張國新教授采用FORTRAN語言編制，已成功用于三峽、二灘、龍灘、小灣、溪洛渡、錦屏、拉西瓦、白鶴灘、糯扎渡、烏東德、景洪、魯地拉、觀音巖、南水北調等工程的各種溫度、應力、變形、安全度等問題分析。

目前，SAPTIS程序主要為大型結構溫度場、應力場線性及非線性分析程序，主要特點包括：

1.1 考慮多種屈服模型

主要有：MC屈服破壞準則，DP外接屈服破壞準則，DP內接屈服破壞準則，DP與MC等面積屈服破壞準則，H-T-C四參數準則，WW五參數屈服準則。在基本屈服破壞準則基礎上，考慮拉壞和壓壞影響，形成復合型擴展屈服準則；同時考慮材料破壞后非理想彈塑性體，加入了抗拉強度、抗壓強度、粘聚力和摩擦系數的軟化因素，形成軟化型擴展屈服準則。

1.2 考慮混凝土壩真實施工進程

包括壩體分塊成層澆筑、拱壩分縫逐步灌漿成拱及大壩分期蓄水等過程，考慮洞室開挖等施工過程，比較真實地模擬施工運行過程。

1.3 具有多種縫單元

Saptis可以模擬大壩多種鍵槽作用，模擬灌漿前的開閉、灌漿過程、灌漿后的開閉屈服等，從而模擬大壩施工至運行期間多種縫的狀態及其對大壩受力狀態的影響。

1.4 具有多種實體單元、縫單元、桿梁錨索單元

Saptis可用以模擬水利水電工程中遇到的各種溫度、滲流、變形、應力等問題。采用高效壓縮數據存貯方式，具有共軛梯度法、高斯直接解法、直接并行解法等多種方程求解器，利用微機即可求解數百萬自由度的結構分析問題。利用高性能服務器，可以對水利水電工程進行大規模有限元分析。

2 工程算例

2.1 計算模型

2.1.1 有限元計算模型及計算參數

丹江口重力壩1#壩段有限元計算模型如圖1所示。

圖1 壩段有限元計算模型示意

（1）基礎計算范圍：順河向分別向上游和下游方向擴展1.5倍的壩高，深度取壩高的1.5倍。

（2）1#壩段大壩主體：壩段壩寬15m，壩底高程112m，老壩踵厚度33m，老壩頂高143m，新壩踵厚度51m，新壩頂高程176.6m。有限元計算單元總數53410，結點總數61402，單元類型主要為六面體單元，材料分區分為加高混凝土和初期工程混凝土。

（3）新老壩結合面處理：143m高程由縫單元連接，143m高程以下新老壩結合面下游部位分離。

圖1給出了計算網格、模型主要體形參數尺寸、壩內縫單元、材料分區示意圖。約束條件基礎四周法向約束、底面采用全約束，壩段主體兩側面法向約束。大壩荷載考慮水壓、沙壓、揚壓力和自重，不考慮基礎自重荷載。

基礎及新老混凝土的彈性模量及泊松比見表1。

表1 基巖及新老混凝土彈性模量及泊松比

2.1.2 抗滑穩定計算模型

1#壩段抗滑穩定計算模型及邊界條件如圖2所示。

圖2 穩定計算模型及邊界條件 單位：m

由圖2可以看出，143m水平裂縫與143m高程以下的新老混凝土結合面將1#壩段分為2個隔離體，2個隔離體之間內力作用如圖3所示，內力大小由有限元位移反力法求出。

圖3 2個隔離體之間內力作用示意

2.2 滑動模式

抗滑穩定分析中，將新老混凝土結合面考慮為最危險的情況，即全部脫開，因此，1#壩段共有3個滑動面，如圖4所示。

圖4 1#壩段不同隔離體滑動面示意

1#壩段不同隔離體滑動模式如表2所示。

表2 1#壩段不同隔離體滑動模式

2.3 荷載和參數計算

計算荷載主要考慮荷載基本組合，即混凝土自重。計算參數采用正常蓄水位170m，泥沙高程115m，泥沙浮容重0.5t/m3。

對壩體抗滑穩定安全系數，需計算抗剪斷與抗剪兩種情況，滑動面力學參數如表3。

表3 不同滑動面力學參數

2.4 不考慮結合面進水時壩段抗滑穩定安全系數

不考慮結合面進水時，采用有限元直接反力發法，計算不同滑動面上內力如表4所示。

表4 不同滑動面內力 單位：t

不同滑動模式下抗滑穩定安全系數如表5。

表5 不同滑動模式下抗滑穩定安全系數

由表5可以看出，不考慮結合面進水時，不同滑動模式下最小抗滑穩定安全系數為：抗剪斷3.38、抗剪1.26，均大于抗剪斷3.00、抗剪1.10的規范允許值。

2.5 結合面進水時壩段抗滑穩定安全系數

結合面進水且全水頭時（如圖5所示），采用有限元直接反力法，計算不同滑動面上內力如表6所示。

圖5 1#壩段不同隔離體結合面水壓示意

表6 不同滑動面內力 單位：t

隔離體1由于承受的結合面水壓力指向上游，因此隔離體1的抗滑穩定安全系數大于結合面無水的安全系數，這里不再計算。

隔離體2不同滑動模式下抗滑穩定安全系數如表7。

表7 不同滑動模式下抗滑穩定安全系數

由表7看出，考慮結合面進水時，不同滑動模式下最小抗滑穩定安全系數為：抗剪斷2.49、抗剪0.76，均小于抗剪斷3.00、抗剪1.10的規范允許值。

3 結語

針對丹江口大壩加高，重點對1#壩段安全度進行了分析計算，通過分析比較新老混凝土結合面完好、結合面開裂及結合面開裂且進水3種情況下的安全度，說明結合面狀態對壩段長期運行安全的影響，計算結果表明：

（1）1#壩段抗滑穩定分析結果表明，不考慮結合面進水時，采用有限元法計算可能滑動面內力，在上游水平裂縫貫穿初期工程壩段，且下游結合面完全脫開的極端情況下，不同滑動模式下最小抗滑穩定安全系數為：抗剪斷為3.38，抗剪為1.26，均滿足規范允許值要求（抗剪斷3.00、抗剪1.10）。

（2）考慮結合面進水且全水頭時，1#壩段抗滑穩定分析結果表明，不同滑動模式下最小抗滑穩定安全系數為：抗剪斷為2.49，抗剪為0.76，小于規范允許值。工程實際中必須避免結合面進水情況。

（3）鑒于新老混凝土結合面張開面積較大，結合面進水且排水不暢時，安全度大幅度降低，因此必須采取措施保證結合面排水暢通。

［1］陳志康，鄭光俊，王莉.丹江口大壩加高工程新老混凝土結合措施設計［J］.人民長江，2009，40（23）:93-95.

［2］張國新，劉毅.壩基穩定分析的有限元直接反力法［J］.水利發電，2006，32（12）:30-38.

［3］SL319—2005，混凝土重力壩設計規范［S］.

［4］朱伯芳，張超然，張國新，等.高拱壩結構安全關鍵技術研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［5］廖仁強，陳志康，張國新，等.丹江口大壩加高工程關鍵技術研究綜述［J］.南水北調與水利科技，2009，7（6）：47-49.