水打橋除險加固工程加厚拱壩工作性態分析

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

中國農村水利水電 2016年9期

關鍵詞：變形

王敬靜(貴州省黔南州水利水電勘測設計院，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，工程樞紐設計洪水標準為30年一遇，校核洪水標準為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，期間多次停工復建，至1984年完工投入蓄水運行。運行中壩基、壩肩一直存在不同程度的滲漏，現壩體出現射流，兩壩肩分別出現兩條貫穿性裂縫，逐年明顯擴大，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，該水庫進行除險加固設計，經過多種方案的比選，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合面。

由于工程多次停工復建，壩體砌筑材料比較復雜，傳統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，對除險加固后大壩在竣工期、正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位四種工況下的應力變形狀況進行計算，分析新老壩體結合面的結合狀況，對加厚后拱壩的整體工作性態作出評價，并根據計算結果提出加強新老壩體結合的工程措施。

圖1 大壩加厚設計剖面圖(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，對側邊界施加法向約束，底邊界施加全約束。壩體模型中考慮溢流表孔開口，根據實際壩體材料分區。采用8節點6面體等參單元對壩體及基礎進行有限元離散。三維有限元整體網格及壩體細部模型如圖 2。單元總數共計32 867個，其中壩體單元3 864個；節點總數共計37 973個。

圖2 有限元模型網格圖

1.2 荷載組合

按照《砌石壩設計規范》(SL25-2006)的規定，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力、壩體自重、壩面水荷載及壩體揚壓力、泥沙壓力、浪壓力與壩體的溫度荷載。其中壩基初始地應力場由壩基巖體自重產生，壩踵處的揚壓力水頭為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 ，內摩擦角12°。溫度荷載按規范計算，主要參數見文獻[1]。

表1 荷載組合表

1.3 計算參數

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

表2 計算參數

2 拱壩工作性態分析

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，出現在溢流堰頂拱冠部位上游側。在設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 壩體應力分析

加厚施工后，在竣工期，壩體應力水平較低，主要表現為壓應力。蓄水后正常蓄水位溫降工況是壩體拉應力的控制工況，上、下游壩面的第一、第三主應力分布情況見圖3與圖4所示。可知上游壩面第一主應力主要表現為壓應力，受拉區域主要分布在左右兩壩肩區域及壩踵，壩頂兩拱端附近和壩踵拉應力值較大，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，導致上游面最大拉應力值達1.47 MPa，出現在壩頂右拱端。上游壩面第三主應力主要為壓應力，壓應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高程拱端附近拉應力區仍很明顯，最大拉應力值達1.48 MPa，出現在894.4 m高程右拱端。第三主應力除壩頂拱端外全部為壓應力，壩體中部和895.76 m高程以上區域壓應力值較小，壩趾拱冠部位壓應力值較大，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力分布(單位：MPa)

設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，壩體拉應力很小，圖5給出了設計洪水溫升工況的上、下游壩面主應力矢量的分布情況，由圖可知壩體主要表現為壓應力，在老壩的上部，同樣由于材料剛度的差異，該部位壓應力水平相對較高。設計洪水位溫升工況，壩體最大主壓應力為-1.90 MPa，校核洪水位溫升工況壩體最大主壓應力為-1.98 MPa，兩者均出現在上游壩面891.6 m高程拱冠部位。

圖5 設計洪水位溫升工況主應力矢量圖

總之，在各工況下，壩體應力均符合設計規范要求，最大主拉應力值出現在正常蓄水位溫降工況，為1.48 MPa，小于規范要求的1.50 MPa；最大主壓應力值出現在校核洪水位工況，為1.98 MPa，遠小于規范要求的容許壓應力值。

2.3 新老壩體結合面分析

新老壩體結合情況直接影響到加厚后壩體的整體工作性態，因此考察結合面的接觸狀況?？紤]到結合面可以承擔一定拉應力等因素，將結合面法向拉應力大于0.1 MPa的區域定義為可能脫開區。

根據計算結果，竣工期、設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力值均小于0.1 MPa，可認為在這些工況下新老壩體不存在脫開區。在正常蓄水位工況下，新老壩體之間在890 m高程至壩頂兩側拱端附近(距左右拱端約3 m區域)法向拉應力大于0.1 MPa，如圖6，結合面拱切向剪應力分布如圖7。可知老壩上部C15混凝土區域，由于存在一定的變形不協調，該部位剪應力水平相對較大，法向也存在脫開可能。考慮在實際工程施工中，結合面一般鋪有砂漿并插有錨筋，還經過灌漿處理，因此在保證措施實施質量的情況下，局部法向拉應力及剪應力應當不會對新老壩體良好結合造成影響。

圖6 結合面可能脫開區 (白色表示未脫開，灰色為可能脫開區)

圖7 結合面拱切向剪應力 (單位：MPa)

2.4 拱壩-壩基整體穩定

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