某混凝土面板堆石壩三維有限元靜動(dòng)力仿真計(jì)算研究

摘 要：以西南地區(qū)某水電站混凝土面板堆石壩為例，進(jìn)行了三維有限元靜動(dòng)力仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)壩體和面板不同計(jì)算工況下的位移、沉降、應(yīng)力分布和水平及接縫位移等情況進(jìn)行了綜合分析，并對(duì)大壩基礎(chǔ)開(kāi)挖、壩體結(jié)構(gòu)、壩頂超高、壩體變形和壩坡穩(wěn)定控制、面板應(yīng)力和變形控制、面板分縫及處理措施等方面提出了建議，對(duì)大壩設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)同類(lèi)工程也具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：混凝土；面板堆石壩；三維有限元；靜動(dòng)力計(jì)算

1 工程概況

西南某水電站是以發(fā)電為主，兼顧灌溉、旅游等綜合利用效益的水電樞紐工程，水庫(kù)總庫(kù)容17.74×108m3，最大壩高175.5m，裝機(jī)容量270MW。擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，可能最大洪水校核。水庫(kù)正常蓄水位675.00m，汛限水位為665.00m，設(shè)計(jì)洪水位678.21m，校核洪水位683.49m，死水位640.00m。本文介紹了該電站混凝土面板堆石壩的三維有限元?jiǎng)屿o力有限元仿真計(jì)算過(guò)程，基于計(jì)算成果，對(duì)大壩基礎(chǔ)開(kāi)挖、壩體結(jié)構(gòu)、壩頂超高、壩體變形和壩坡穩(wěn)定控制、面板應(yīng)力和變形控制、面板分縫及處理措施等方面提出了建議，對(duì)大壩設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)同類(lèi)工程也具有一定的參考價(jià)值。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

三維計(jì)算模型邊界底部取壩基覆蓋層底部基巖面，兩岸取至開(kāi)挖面。

壩體靜力計(jì)算采用“南水”雙屈服面彈塑性模型，混凝土面板采用線(xiàn)彈性模型，面板周邊縫接縫材料采用連接單元模擬，垂直縫采用分離縫模型模擬。動(dòng)力計(jì)算采用等價(jià)粘彈性模型。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)壩料靜、動(dòng)力試驗(yàn)成果以及工程類(lèi)比，確定壩料靜、動(dòng)力參數(shù)。混凝土面板彈性模量、泊松比和密度分別為E=28GPa，？滋=0.167，？籽=2.40g/cm3。抗震設(shè)計(jì)地震標(biāo)準(zhǔn)取基準(zhǔn)期100年超越概率2%（地震動(dòng)峰值加速度a=0.275g），校核地震標(biāo)準(zhǔn)取基準(zhǔn)期100年超越概率1%（a=0.328g）。接觸面模型參數(shù)、靜動(dòng)力計(jì)算參數(shù)如表1-3所示。

3 靜力計(jì)算結(jié)果分析

靜力計(jì)算分別按不考慮流變和考慮流變兩種情況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算成果如表4所示。

與不考慮流變情況相比，考慮流變時(shí)壩體和面板的變形量有明顯增加，應(yīng)力分布規(guī)律相似，應(yīng)力水平無(wú)明顯變化。考慮流變時(shí)壩體運(yùn)行期最大沉降達(dá)到69.0cm，面板運(yùn)行期最大撓度達(dá)27.2cm，與類(lèi)似工程相比處于中等水平；混凝土面板拉壓應(yīng)力均在允許范圍，應(yīng)力變形分布符合混凝土面板堆石壩的一般規(guī)律。

面板垂直縫變形總體上河床部分壓緊、兩岸和周邊縫張開(kāi)，左岸垂直縫張開(kāi)量相對(duì)于右岸略大。考慮流變時(shí)接縫變位均有所增大，運(yùn)行期周邊縫最大沉陷24.7mm，最大錯(cuò)動(dòng)31.2mm，最大張開(kāi)26.0mm，垂直縫最大張開(kāi)6.6mm，止水結(jié)構(gòu)和止水材料能夠適應(yīng)變形。

4 動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析

主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5-6。100年超越概率2%情況下，壩頂及附近下游坡區(qū)域加速度絕對(duì)值較大，堆石存在局部松動(dòng)、滑落的可能性；地震情況下永久變形、震陷均不大；蓄水期地震過(guò)程中最大拉壓動(dòng)應(yīng)力疊加后面板壩軸向最大拉、壓應(yīng)力達(dá)8.95MPa和17.40MPa，順坡向達(dá)6.11MPa和16.70MPa，河床部位面板頂部以及左右兩側(cè)面板上部發(fā)生拉裂破壞可能性較大；面板周邊縫的三向動(dòng)變形最大值分別為錯(cuò)動(dòng)25.0mm，沉陷22.3mm，張開(kāi)24.2mm，在止水結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)；地震過(guò)程中面板伸縮縫最大張開(kāi)量約為10.0mm，在允許范圍內(nèi)。

100年超越概率1%較之100年超越概率2%的情況，其最大反應(yīng)加速度、永久變形、面板動(dòng)拉壓應(yīng)力以及面板周邊縫、伸縮縫變形均略有增大，但動(dòng)力反應(yīng)放大倍數(shù)略有減小，存在的問(wèn)題仍然是壩頂附近拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的允許值。在設(shè)計(jì)和校核地震下，大壩的設(shè)計(jì)總體滿(mǎn)足抗震安全性要求。

5 設(shè)計(jì)方案建議

基于上述分析結(jié)果，結(jié)合類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大壩設(shè)計(jì)方案提出以下建議：

（1）基礎(chǔ)開(kāi)挖

河床部位挖除0.3倍壩高范圍內(nèi)河床沖積層，將趾板置于基巖上；其余部位清除沖積層表層2～3m，其下保留作為堆石體基礎(chǔ)，并做好壩體的防滲處理措施。

（2）壩體結(jié)構(gòu)

加寬壩頂寬度至10m，增強(qiáng)大壩地震時(shí)的抗滑穩(wěn)定性；采取提高壩體上部填筑標(biāo)準(zhǔn)、加厚混凝土面板等防裂、防震措施，下游壩頂范圍邊坡加固、壩前設(shè)置可靠鋪蓋等。

（3）壩頂超高

壩頂超高考慮地震時(shí)壩體和壩基產(chǎn)生的附加沉陷和水庫(kù)地震涌浪，地震涌浪高度取值1.5m，地震附加沉陷按壩高的1%計(jì)，其值遠(yuǎn)大于動(dòng)力計(jì)算壩頂最大垂直地震永久變形值，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（4）控制壩體變形和壩坡穩(wěn)定

針對(duì)壩頂及壩頂附近下游坡區(qū)域堆石存在局部松動(dòng)、滑落的可能性，設(shè)計(jì)考慮上緩下陡的壩坡形式，下游壩坡采用大塊石護(hù)坡，553m高程設(shè)一大平臺(tái)；采用漿砌石或加筋堆石等加強(qiáng)措施；施工期間通過(guò)增加碾壓遍數(shù)等措施，提高壩體堆石料的壓實(shí)密度，減小壩體的沉降變形。

（5）控制面板應(yīng)力和變形

針對(duì)河床部位面板頂部以及左右兩側(cè)面板上部地震情況下發(fā)生拉裂破壞的可能性，設(shè)計(jì)考慮頂部以下10m、施工縫上下10m及周邊縫面板側(cè)5m范圍，均采用雙層雙向配筋，頂部加強(qiáng)配筋。

（6）面板分縫及處理措施

合理設(shè)置垂直縫分縫寬度和位置，不同部位采取不同的縫面處理型式：周邊縫和頂部垂直縫，加大無(wú)粘性填料尺寸；接縫采用抗震減震材料嵌縫；趾板位于山坡較陡部位時(shí)，采用過(guò)渡料填筑密實(shí)，加密加深趾板下部錨筋，加強(qiáng)固結(jié)灌漿。

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作者簡(jiǎn)介：劉家濤（1985-），男，江蘇連云港人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理等工作。