斯里蘭卡某水電站碾壓混凝土重力壩應力和變形分析

洪振權

(云南能投對外能源開發(fā)有限公司，云南 昆明 650228)

我國20世紀80年代初開始行進碾壓混凝土重力壩技術的研究，并于1986年建成我國第一座碾壓混凝重力壩。經過20多年的研究、實踐，目前我國已經建成世界上最高的碾壓混凝土重力壩，在碾壓混凝土筑壩技術方面達到國際領先水平，在設計理論、防滲排水、溫控防裂、層間結合、快速施工等方面均取得重大突破，已經形成了一套具有中國特色的碾壓混土筑壩技術，使碾壓混凝土重力壩發(fā)展成為最具有競爭力的壩型之一。

莫若嘎哈堪達水電站碾壓混凝土重力壩復雜層狀地基的特點，為了更好反應壩體與壩基的應力與變形分布規(guī)律，采用ADINA結構分析軟件進行計算分析。

1 工程概況

莫若嘎哈堪達水電站位于安邦甘加河畔，斯里蘭卡科倫坡東北部約190km處，位于中央省的東北部，靠近中央省東部省之間的省級行政區(qū)域界線。工程主要建筑物包括主壩、1#、2#副壩、水庫、泄洪道建筑物、灌溉旁通通道建筑物、壓力管道、壩后式地面廠房、上游副廠房等。主壩跨越安邦河，為粘土心墻土石壩，壩高63.5m，副壩為碾壓混凝土重力壩，高56.5m。水庫正常蓄水位為185.0m，相應庫容為5.87億m3。根據(jù)最新的發(fā)展，考慮采用卡盧甘加河引水設施，引水至莫若嘎哈堪達水庫，設計引水排泄能力為32m3/s。利用增加排泄量的可用水頭，建設兩個立式混流式水輪機組，裝機容量2×5MW，電站總裝機容量為25MW。

2 計算模型

選取1#非溢流壩段為典型壩段，進行壩體和壩基進行分析，其基本數(shù)據(jù)見表1。1#非溢流壩段壩底高程132.3m，壩頂高程187.5m，壩高55.2m；壩寬39.41m；壩段長20m。

三維有限元模型建立時，壩體和壩基采用等參8節(jié)點實體單元。其中壩體采用線彈性材料，地基采用Mohr-coulomb材料。壩段計算范圍為：上、下游方向地基分別取1.5倍壩基寬度，深度方向取1.5倍壩高。坐標選擇為：x軸垂直紙面向外，y軸指向下游，z軸豎直向上。邊界約束取為：地基四周法向鏈桿約束，底面為固定邊界約束，溢流壩面采用法向鏈桿約束。

有限元網格圖如圖1—2所示，共劃分單元11562個，節(jié)點14378個。其中壩體與地基采用3D-Solid單元，壩體根據(jù)混凝土材料的不同劃分成2個分區(qū)，壩基根據(jù)巖層的走向分層建模，軟弱結構面采用接觸單元，上游的滑動面簡化成經過壩踵和齒槽的一條軟弱夾層，下游的剪出破裂面與水平線夾角為23°。計算工況為：

工況1：完建期(自重)

工況2：正常運行期(壩體自重+正常蓄水位+下游水位+淤沙壓力+揚壓力)

工況3：校核洪水工況(壩體自重+校核洪水位+下游水位+淤沙壓力+揚壓力)

表1 典型壩段基本數(shù)據(jù)

圖1 典型壩段壩體與壩基網格圖Ⅰ

圖2 典型壩段壩體與壩基網格圖Ⅱ

3 計算荷載與計算參數(shù)

3.1 主要計算荷載

(1)壩體自重。壩體混凝土為C25，容重為24kN/m3。

(2)特征水位。典型壩段大壩上、下游特征水位見表2。

表2 大壩上、下游特征水位

(3)淤沙壓力。淤沙壓力包括上游水平淤沙壓力和上游面傾斜時作用在該面上的淤沙重量，壩前淤沙高程為147.5m。淤沙浮容重為3.82kN/m3，淤沙內摩擦角為20°。

(4)壩基揚壓力。溢流壩段只設上游主帷幕及主排水。壩基揚壓力如圖3所示，圖中H1、H2為上、下游特征水位；α為主排水孔揚壓力折減系數(shù)，取0.30，a為主排水孔距壩踵的距離。

圖3 壩基揚壓力圖形

3.2 計算參數(shù)

(1)壩體物理力學。典型壩段壩體混凝土為C25，彈性模量為22.5GPa，泊松比為0.167容重為24kN/m3。

(2)壩基巖體的物理力學參數(shù)見表3。

表3 壩區(qū)巖體力學參數(shù)參考值

4 壩體與壩基的應力和變形分析

典型壩段壩底高程132.3m，壩頂高程187.5m，壩高55.2m。上游正常蓄水位為185.0m，下游正常尾水位為139.0m。工況1～3的壩體與壩基關鍵點的位移和應力分別見表4—6。壩體與壩基關鍵點的示意圖如圖4所示。

表4 工況1(完建期)壩體與壩基關鍵點的位移和應力

表5 工況2(正常運行期)壩體與壩基關鍵點的位移和應力

圖4 壩體與壩基關鍵點的示意圖

位移正應力剪應力主應力節(jié)點號順河向uy/cm豎向uz/cmσy/MPaσz/MPaτyz/MPaσ1/MPaσ3/MPaA0.32-0.26-0.15-2.35-0.620.01-2.51B0.59-0.360.00-0.020.000.00-0.02C0.59-0.410.00-0.030.000.00-0.03D0.52-0.40-0.11-0.580.16-0.05-0.63E0.30-0.35-2.11-1.130.95-0.26-2.69F0.25-0.28-0.990.170.060.18-0.99G0.29-0.28-0.82-0.710.59-0.17-1.36H0.30-0.31-0.28-0.310.460.17-0.75I0.28-0.30-1.28-1.140.83-0.37-2.05J0.29-0.31-0.59-0.960.19-0.24-1.04K0.31-0.34-0.70-0.970.49-0.17-1.34

5 結論

(1)完建期，在壩體自重作用下壩頂順河向位移指向上游，豎向位移方向為豎直向下，壩踵和壩趾均處于受壓應力狀態(tài)，壩頂、壩踵、壩趾應力滿足規(guī)范設計要求。

(2)正常運行期，壩頂順河向位移指向下游，豎向位移方向為向下，壩踵豎向為壓應力，順河向為拉應力，壩趾豎向應力為壓應力和主壓應力，壩底附近地基應力在承載力容許范圍內，滿足設計要求。

(3)校核洪水工況下，壩頂順河向位移指向下游，豎向位移方向為向下，壩踵豎向為壓應力，順河向存在拉應力，壩趾豎向為壓應力；壩底附近地基應力在承載力容許范圍內，滿足設計要求。