竹壽水庫擴容及調水工程大壩加高設計及應力變形三維有限元分析

張 運 花， 雷 楊

(中國水電顧問集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

竹壽水庫擴容及調水工程大壩加高設計及應力變形三維有限元分析

張 運 花， 雷 楊

(中國水電顧問集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

竹壽水庫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，通過在老壩壩軸線部位打設混凝土防滲墻后，由防滲墻、連接板、趾板和面板構成完整的防滲體系，有效解決了原壩體滲漏問題。竹壽水庫庫容及調水工程大壩加高設計及應力變形三維有限元分析也為其他工程類似補強加固及水庫擴容項目的設計提供了參考。

水庫擴容；大壩加固與加高設計；應力變形；三維有限元

0 引 言

原竹壽水庫樞紐工程位于四川省涼山州會理縣黃柏鄉境內，是陰洞河上的一座中型水庫。大壩壩址以上流域面積69 km2，水庫總庫容為1 130萬m3，有效庫容884.5萬m3，死庫容100萬m3，為中型水庫，設計灌溉面積3.2萬畝。竹壽水庫擴容后，水庫正常蓄水位2 444 m，總庫容3 516.2萬m3，有效庫容2 907.2萬m3，設計灌溉面積8.06萬畝，工程等別屬III等中型工程。

竹壽水庫大壩加高工程為原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國內已有類似工程。同時壩址區地震基本烈度Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.2 g。因此，大壩加高工程在蓄水、運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、應力與穩定等是工程的關鍵技術問題。

1 原竹壽水庫攔河壩布置及安全鑒定結論

原竹壽水庫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，設有兩級馬道。下游壩坡為1∶1.7～1∶1.9，下游坡亦設有兩級馬道。上、下游壩腳均設堆石棱體。壩坡保護上游為干砌塊石，下游采用干砌塊石拱圈+圈內草皮護坡，干砌塊石厚度均為40 cm。礫質土心墻頂寬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年施工時的臨時攔洪斷面被推平后的殘體形成的平臺，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復合土工膜，與礫質土心墻聯合防滲，心墻下游坡與混合砂反濾層間鋪設土工布。原竹壽水庫大壩典型剖面圖詳見圖1。

2009年對竹壽水庫大壩進行了安全評價工作，結論如下：由于水庫建設期較長、施工設備和施工工藝等原因，竹壽水庫大壩存在大壩下游壩坡安全系數不滿足規范要求、繞壩滲漏問題突出等安全隱患。為了保證當地的經濟發展和大壩本身的安全，結合擴容調水工程，對水庫大壩樞紐工程進行除險加固整治，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加固設計

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，壩頂長度271.47 m，壩頂寬度10.00 m，壩頂上游設鋼筋混凝土防浪墻，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、過渡區、主堆石區、下游次堆石區及砌塊石護坡等區域。竹壽水庫加高大壩典型剖面圖詳見圖2。

圖2 加高大壩典型斷面圖

表1 壩料“南水”模型參數

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，趾板通過周邊縫及止水與面板連接；混凝土防滲墻與趾板之間設置連接板。考慮到原竹壽大壩堆石填筑質量較差，為使加高堆石壩河床部位趾板及連接板坐落于相對穩定基礎，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。連接板下部局部設特殊墊層區。

3 大壩加高變形和應力分析

采用三維有限單元進行大壩加高施工期及運行期壩體應力和變形分析。

3.1 計算模型及參數

堆石料的本構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，能夠較為真實地反映壩體的應力應變性狀。

竹壽水庫新填筑堆石料巖性為奧陶系紅石崖組(O1h)石英砂巖、細粒砂巖夾粉砂質泥巖、巧家組(O2q)灰色薄―中厚層砂巖、白云巖、灰巖等，根據設計填筑標準和現場檢測資料對加高壩體的堆石料和老壩壩體填筑料開展了三軸CD試驗，根據試驗成果確定的計算參數見表1。

3.2 三維應力應變結果及分析

3.2.1 0+125斷面應力變形

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

表2 大壩應力變形特征值

計算結果顯示：由于新壩壩料模量較高，故最大水平位移發生在老壩壩體內，最大沉降則發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，應力計算結果顯示，最大大主應力僅為自重的0.74倍，故最大沉降較小。由于防滲墻模量較大，在防滲墻部位產生了明顯的應力集中。竣工期和蓄水期壩體內應力水平均較小，沒有出現塑性破壞區域。

3.2.2 防滲墻應力變形

由于防滲墻為新壩填筑至▽2 447.9 m后再進行打設，竣工期防滲墻不會產生變形，故僅給出蓄水期的變形分布。對于壩軸向位移，表現為由兩側向河床部位的擠壓，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；對于順河向位移，在水荷載作用表現為指向下游的變形，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為先增大后略有減小；對于垂直向位移，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 防滲墻應力變形特征值

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

按混凝土極限壓應變700 με、極限拉應變100 με考慮，則C25混凝土的允許抗壓強度和抗拉強度分別為19.6 MPa和―2.8 MPa，從上述計算結果來看，防滲墻的拉壓應力均在C25素混凝土的允許范圍內。

3.2.3 面板應力變形

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%，在已建壩的實測撓曲率(0.02%～0.28%)范圍內；面板軸向位移基本表現為由兩岸向河谷中央變形，右側面板指向左岸的最大變形為0.45 cm，左側面板指向右岸的最大變形為0.50 cm。

表4 面板應力變形特征值

面板壩軸向應力在河谷中部表現為受壓，最大壓應力為1.47 MPa，左右側存在受拉區，最大拉應力為1.25 MPa；順坡向應力主要表現為壓應力，最大值為1.86 MPa，頂部存在拉應力區，最大值0.68 MPa。拉壓應力遠小于混凝土的允許抗拉和抗壓強度，混凝土面板不會發生破壞。

3.2.4 趾板與連接板以及連接板與防滲墻之間的相對變位

表5列出了防滲墻與連接板、連接板與趾板各個接縫的變形。其中水平錯動：壩軸向相對變形，上游側指向河谷為正；張開：順河向相對變形，張開為正；垂直錯動：垂直向相對變形，下游側向下為正。

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量見表6所示。

表6 周邊縫和垂直縫變形 /mm

對水平錯動，下游側較之上游側的錯動值要大，且整體上表現為向河谷中央收縮，最大水平錯動約為6 mm；對張開量，連接板和防滲墻之間，在水荷載作用下，接縫呈閉合狀態，趾板和連接板之間也基本呈閉合狀態，但在兩側與岸坡接觸部位，局部呈張開狀態，最大張開量為0.74 mm；對垂直錯動，越靠近上游側沉降越小，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動最大，最大值約為36 mm，趾板和連接板之間的錯動則較小，最大值約為2 mm。由此可見，三向變位中，僅連接板和防滲墻之間的垂直錯動較大，現有的止水結構完全可以適應這樣的變形。現有趾板和連接板長度的設置是合適的。

周邊縫三向變位中，切向錯動都指向河谷，右岸岸坡總體上較陡，因而剪切錯動量總體上較大，最大值為3.7 mm；對于沉陷，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較大，最大值為4.8 mm；兩岸部位的周邊縫基本處于張開狀態，而河床部位的周邊縫基本處于閉合狀態，最大張開量為2.0 mm。

在庫水壓力作用下，面板軸向位移指向河谷中央，兩岸附近面板產生軸向拉應力，因而這部份面板的垂直縫必然張開，不過張開量較小，最大值只有2.6 mm。

4 結 語

竹壽水庫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，通過在老壩壩軸線部位打設混凝土防滲墻后，由防滲墻、連接板、趾板和面板構成完整的防滲體系，有效解決了原壩體滲漏問題。采用三維有限單元方法對加高壩體進行了施工填筑、蓄水運行和運行期發生地震的仿真模擬計算，計算結果顯示應力變形規律與類似工程已建大壩的觀測成果類似，變形基本協調、可控。可見竹壽水庫大壩加高設計方案是可行的，采取一定的工程措施后其安全性是有保障的。竹壽水庫庫容及調水工程大壩加高設計及應力變形三維有限元分析也為其他工程類似補強加固及水庫擴容項目的設計提供了參考。

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張運花(1984- )，女，山東菏澤人，大連理工大學水工結構工程專業，工程師，現于中國電建華東勘測設計研究院有限公司從事工程設計；

雷 楊(1984- )，女，四川巴中人，河海大學水文與水資源專業，工程師，現于中國電建華東勘測設計研究院有限公司從事工程管理.

(責任編輯：卓政昌)

2017- 07- 20

TV697.3；TV698.2+3；TG115.22+2.2

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1001- 2184(2017)04- 0107- 04