水打橋除險加固工程加厚拱壩工作性態(tài)分析

2016-03-23 01:37:31貴州省黔南州水利水電勘測設(shè)計院貴州都勻558000

中國農(nóng)村水利水電 2016年9期

關(guān)鍵詞：變形

王敬靜(貴州省黔南州水利水電勘測設(shè)計院，貴州都勻 558000)

0 前言

水打橋水庫屬小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級，工程樞紐設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。大壩壩型為漿砌石雙曲拱壩，壩頂弧長為93.5 m，壩頂寬為1.91 m，壩底寬為4.0 m，最大壩高為27.5 m；溢流段位于拱壩中部，凈寬為23.5 m，消能方式為挑板跌流消能。

水打橋水庫大壩于1973年動工興建，期間多次停工復(fù)建，至1984年完工投入蓄水運(yùn)行。運(yùn)行中壩基、壩肩一直存在不同程度的滲漏，現(xiàn)壩體出現(xiàn)射流，兩壩肩分別出現(xiàn)兩條貫穿性裂縫，逐年明顯擴(kuò)大，汛期水位上升時，下游面可見裂縫滲漏跡象。由于壩身較薄，宣泄洪水時人站在壩頂能感覺壩身較明顯震動。2010年，該水庫進(jìn)行除險加固設(shè)計，經(jīng)過多種方案的比選，最終選定了上游變厚拱端加厚方案。壩體上游面加厚0.3 m厚C15混凝土預(yù)制塊，后接底厚0.8 m、頂厚0.5 m的C15混凝土防滲墻，防滲墻防滲等級為W4，防凍等級為F50，防滲墻后為C15混凝土砌毛石。圖 1為加厚后的大壩拱冠梁剖面，圖1中C15混凝土砌毛石的下游面即為新老壩體結(jié)合面。

由于工程多次停工復(fù)建，壩體砌筑材料比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的多拱梁法難以深入分析。本文采用三維有限元分析方法，真實模擬壩體材料分區(qū)，對除險加固后大壩在竣工期、正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位四種工況下的應(yīng)力變形狀況進(jìn)行計算，分析新老壩體結(jié)合面的結(jié)合狀況，對加厚后拱壩的整體工作性態(tài)作出評價，并根據(jù)計算結(jié)果提出加強(qiáng)新老壩體結(jié)合的工程措施。

圖1 大壩加厚設(shè)計剖面圖(單位：m)

1 計算模型

1.1 有限元模型

有限元模型的范圍為：橫河向取壩頂以外50 m，順河向取壩底向上游50 m，向下游70 m。整個計算范圍內(nèi)，對側(cè)邊界施加法向約束，底邊界施加全約束。壩體模型中考慮溢流表孔開口，根據(jù)實際壩體材料分區(qū)。采用8節(jié)點(diǎn)6面體等參單元對壩體及基礎(chǔ)進(jìn)行有限元離散。三維有限元整體網(wǎng)格及壩體細(xì)部模型如圖 2。單元總數(shù)共計32 867個，其中壩體單元3 864個；節(jié)點(diǎn)總數(shù)共計37 973個。

圖2 有限元模型網(wǎng)格圖

1.2 荷載組合

按照《砌石壩設(shè)計規(guī)范》(SL25-2006)的規(guī)定，選取的荷載組合見表1，在各計算工況中考慮的荷載有壩基初始應(yīng)力、壩體自重、壩面水荷載及壩體揚(yáng)壓力、泥沙壓力、浪壓力與壩體的溫度荷載。其中壩基初始地應(yīng)力場由壩基巖體自重產(chǎn)生，壩踵處的揚(yáng)壓力水頭為H1(上游水深)排水孔中心線處為H2+α(H1-H2)，壩趾處為H2(下游水深)，其間以直線連接，折減系數(shù) 采用0.6。泥沙壓力計算中泥沙淤積高程876.55 m，泥沙浮容重取8 kN/ m ，內(nèi)摩擦角12°。溫度荷載按規(guī)范計算，主要參數(shù)見文獻(xiàn)[1]。

表1 荷載組合表

1.3 計算參數(shù)

在對大壩應(yīng)力變形計算中，壩體及壩基均采用線彈性本構(gòu)模型，在對大壩-壩基進(jìn)行整體穩(wěn)定計算時壩肩巖體采用摩爾庫倫彈塑性模型，具體計算參數(shù)如表2所示。

表2 計算參數(shù)

2 拱壩工作性態(tài)分析

2.1 壩體變形分析

竣工期壩體變形很小，蓄水后大壩的整體變形趨勢均是整體向下游變形，壩頂部的變形相對較大，向壩肩和壩底逐漸減小。在正常蓄水位溫降工況，水荷載和溫度荷載均使壩體向下游變形，故相對溫升工況其壩體變形量值最大，順河向變形極值為8.0 mm，出現(xiàn)在溢流堰頂拱冠部位上游側(cè)。在設(shè)計洪水位工況和校核洪水位工況，由于疊加溫升荷載，壩體變形量值較小，向下游變形的極值僅為2.0 mm左右。

2.2 壩體應(yīng)力分析

加厚施工后，在竣工期，壩體應(yīng)力水平較低，主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。蓄水后正常蓄水位溫降工況是壩體拉應(yīng)力的控制工況，上、下游壩面的第一、第三主應(yīng)力分布情況見圖3與圖4所示?？芍嫌螇蚊娴谝恢鲬?yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，受拉區(qū)域主要分布在左右兩壩肩區(qū)域及壩踵，壩頂兩拱端附近和壩踵拉應(yīng)力值較大，這由于老壩壩體上部和防滲墻材料均為C15混凝土，與相近的壩體材料C15混凝土砌毛石、M8砂漿砌毛石剛度差異較大而存在約束作用，導(dǎo)致上游面最大拉應(yīng)力值達(dá)1.47 MPa，出現(xiàn)在壩頂右拱端。上游壩面第三主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值在壩體中上部較大，向四周逐漸減小。在下游壩面，壩體上部的891.6～895.76 m高程拱端附近拉應(yīng)力區(qū)仍很明顯，最大拉應(yīng)力值達(dá)1.48 MPa，出現(xiàn)在894.4 m高程右拱端。第三主應(yīng)力除壩頂拱端外全部為壓應(yīng)力，壩體中部和895.76 m高程以上區(qū)域壓應(yīng)力值較小，壩趾拱冠部位壓應(yīng)力值較大，梁的作用較為明顯。

圖3 上游壩面正常蓄水位溫降工況主應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖4 下游壩面(老壩)正常蓄水位溫降工況主應(yīng)力分布(單位：MPa)

設(shè)計洪水位溫升及校核洪水位溫升工況，由于溫升荷載抵消了一部分水荷載作用，壩體拉應(yīng)力很小，圖5給出了設(shè)計洪水溫升工況的上、下游壩面主應(yīng)力矢量的分布情況，由圖可知壩體主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在老壩的上部，同樣由于材料剛度的差異，該部位壓應(yīng)力水平相對較高。設(shè)計洪水位溫升工況，壩體最大主壓應(yīng)力為-1.90 MPa，校核洪水位溫升工況壩體最大主壓應(yīng)力為-1.98 MPa，兩者均出現(xiàn)在上游壩面891.6 m高程拱冠部位。

圖5 設(shè)計洪水位溫升工況主應(yīng)力矢量圖

總之，在各工況下，壩體應(yīng)力均符合設(shè)計規(guī)范要求，最大主拉應(yīng)力值出現(xiàn)在正常蓄水位溫降工況，為1.48 MPa，小于規(guī)范要求的1.50 MPa；最大主壓應(yīng)力值出現(xiàn)在校核洪水位工況，為1.98 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的容許壓應(yīng)力值。

2.3 新老壩體結(jié)合面分析

新老壩體結(jié)合情況直接影響到加厚后壩體的整體工作性態(tài)，因此考察結(jié)合面的接觸狀況?？紤]到結(jié)合面可以承擔(dān)一定拉應(yīng)力等因素，將結(jié)合面法向拉應(yīng)力大于0.1 MPa的區(qū)域定義為可能脫開區(qū)。

根據(jù)計算結(jié)果，竣工期、設(shè)計洪水位工況和校核洪水位工況下新老壩體接合面法向最大拉應(yīng)力值均小于0.1 MPa，可認(rèn)為在這些工況下新老壩體不存在脫開區(qū)。在正常蓄水位工況下，新老壩體之間在890 m高程至壩頂兩側(cè)拱端附近(距左右拱端約3 m區(qū)域)法向拉應(yīng)力大于0.1 MPa，如圖6，結(jié)合面拱切向剪應(yīng)力分布如圖7?？芍蠅紊喜緾15混凝土區(qū)域，由于存在一定的變形不協(xié)調(diào)，該部位剪應(yīng)力水平相對較大，法向也存在脫開可能?？紤]在實際工程施工中，結(jié)合面一般鋪有砂漿并插有錨筋，還經(jīng)過灌漿處理，因此在保證措施實施質(zhì)量的情況下，局部法向拉應(yīng)力及剪應(yīng)力應(yīng)當(dāng)不會對新老壩體良好結(jié)合造成影響。

圖6 結(jié)合面可能脫開區(qū) (白色表示未脫開，灰色為可能脫開區(qū))

圖7 結(jié)合面拱切向剪應(yīng)力 (單位：MPa)

2.4 拱壩-壩基整體穩(wěn)定

采用綜合法[2]對拱壩-壩基在正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位3個工況下進(jìn)行了整體穩(wěn)定分析，分析方法為先降低壩肩壩基巖體抗剪斷強(qiáng)度的50%，然后在此基礎(chǔ)上超載直到破壞。綜合法既考慮了壩體可能出現(xiàn)的超載情況，又考慮了運(yùn)行期壩肩壩基巖體強(qiáng)度有可能降低的情況，更加符合實際。綜合安全系數(shù)為超載安全系數(shù)與強(qiáng)度儲備系數(shù)的乘積，最后的綜合安全系數(shù)考慮計算收斂性、屈服區(qū)的貫通情況、以及壩肩特征點(diǎn)變形關(guān)系曲線的拐點(diǎn)綜合確定。下表為各工況的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，由表可知，在各種工況下，大壩整體穩(wěn)定安全系數(shù)均在5.0以上，不存在失穩(wěn)問題。