深厚覆蓋層上高混凝土閘壩靜力特性研究

王登銀，張 洋，徐 宇，向海軍

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611130)

丹巴水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內(nèi)的大渡河干流上，為大渡河干流22級梯級開發(fā)中的第8級水電站，上接巴底水電站，下臨猴子巖水電站，是以發(fā)電為主的大型水電工程。工程采用混合式開發(fā)，推薦方案水卡子壩址距丹巴縣城約20 km，廠址在丹巴縣城南小金河口上游約400 m處，廠壩之間采用約17.4 km的左岸引水系統(tǒng)連接，生態(tài)小機組位于閘壩右岸下游側(cè)。電站主要建筑物有攔河閘壩、引水系統(tǒng)、地面廠房及開關(guān)站等(如圖1所示)，閘壩最大壩高42 m。水庫總庫容0.398 9億m3，死水位1 992 m，調(diào)節(jié)庫容0.115 4億m3，自身具有日調(diào)節(jié)性能，與上游具有控制性作用的梯級雙江口水電站聯(lián)合運行具有年調(diào)節(jié)特性。電站額定水頭124 m，單機額定引用流量為267.52 m3/s。小金河廠房安裝4臺單機容量為295 MW的水輪發(fā)電機組，生態(tài)小機組裝機容量16.6 MW，總裝機容量1 196 MW。

在深厚覆蓋層上建壩面臨眾多技術(shù)難題[1]，丹巴水電站的閘壩基礎(chǔ)河床覆蓋層深厚，最大厚度達133 m，主要由漂卵石層及砂層、砂質(zhì)粉土層和砂質(zhì)壤土層等組成。物質(zhì)成份、成因復(fù)雜，各層厚度、組成及物理力學(xué)特性差異較大，呈現(xiàn)出較大的不均勻性，其中有靜水沉積的粉細(xì)砂、粉土層及砂層透鏡體分布，壩基條件極其復(fù)雜。

1 靜力計算分析本構(gòu)模型

1.1 “南水”雙屈服面彈塑性模型

閘壩基礎(chǔ)由散離體材料組成，物質(zhì)條件復(fù)雜，層狀疊加及局部互層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致基礎(chǔ)覆蓋層工程性質(zhì)呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性[2]?！澳纤彪p屈服面彈塑性模型作為散離體材料的計算分析本構(gòu)模型具有諸多優(yōu)勢[3-5]，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(yīng)力應(yīng)變性狀。

圖1 工程布置縱剖面示意

“南水”雙屈服面彈塑性模型的兩個屈服面為

(1)

式中，p、r、s為模型參數(shù)，對堆石料均可以取2。

雙屈服面模型應(yīng)變增量表達式為

(2)

式中，[D]為彈性矩陣；{n1}和{n2}為屈服面法線方向余弦；A1和A2為塑性系數(shù)，取值見文獻[3]。

雙屈服面彈塑性模型有8個模型參數(shù)，分別為楊氏模量系數(shù)K、切線楊氏模量n、破壞比Rf、土的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ、發(fā)生最大收縮時的(σ1-σ3)d與偏應(yīng)力的漸近值(σ1-σ3)ult之比Rd、σ3等于單位大氣壓力時的最大收縮體應(yīng)變cd和收縮體應(yīng)變隨σ3的增加而增加的冪次nd，這8個參數(shù)均可由常規(guī)三軸試驗結(jié)果整理得出。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)

混凝土面板采用線彈性模型，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合下列廣義虎克定律

{σ}=[D]{ε}

(3)

1.3 接觸面模型

由于混凝土結(jié)構(gòu)與周圍材料的剛度差異較大，在荷載作用下，兩者接觸面因變形不協(xié)調(diào)會發(fā)生相對位移。為了反映兩者之間的相互作用，進行有限元分析時，必須考慮其接觸特性。

本文采用Goodman單元進行計算，接觸面上的應(yīng)力和相對位移關(guān)系為

[σ]=[K0][w]

(4)

2 計算參數(shù)及模型

2.1 計算參數(shù)

混凝土防滲墻、閘壩及閘底板混凝土結(jié)構(gòu)為剛性材料，均采用彈性模型計算，計算參數(shù)如表1所示；閘壩基礎(chǔ)覆蓋層由散離體材料組成，為探索其力學(xué)特性，對基礎(chǔ)覆蓋層進行室內(nèi)大三軸試驗，并以三軸試驗成果為基礎(chǔ)，擬合基礎(chǔ)覆蓋層的“南水”模型計算參數(shù)[6]，得出計算參數(shù)如表2所示。

表1 彈性參數(shù)

2.2 計算單元模型

根據(jù)工程實際的布置及計算邊界，建立三維有限元計算模型如圖2所示。三維有限元模型共157 239個單元，199 903個節(jié)點。模型底部取到基巖面，兩側(cè)取到兩岸基巖位置；上游側(cè)自閘軸線位置向上游取200 m，下游側(cè)自閘軸線位置向下游取300 m，作為上下游的計算邊界。

表2 “南水”模型參數(shù)

3 研究成果與分析

為深入研究深厚覆蓋層上高混凝土閘壩及基礎(chǔ)的靜力特性，研究建成運行后閘壩、閘底板及基礎(chǔ)的變形、應(yīng)力狀態(tài)，采用三維有限元對閘壩蓄水運行狀態(tài)進行仿真分析，對工程安全運行的可行性進行判斷。

圖2 計算單元模型示意

圖3 閘壩最大斷面運行期變形(單位：cm)

3.1 變形

圖3為閘壩的最大斷面運行期順河向位移和沉降變形分布。由圖3可知，閘壩運行期下部覆蓋層最大順河向位移為5.8 cm，發(fā)生在防滲墻頂部位置；受蓄水后水荷載的影響，整個變形趨勢指向下游。閘壩運行期下部覆蓋層最大沉降為15.0 cm，發(fā)生在閘底板底部下游側(cè)位置。變形計算成果與國內(nèi)覆蓋層上的高閘壩福堂水電站有限元分析成果接近[7]。

3.2 應(yīng)力

圖4為閘壩的最大斷面覆蓋層運行期大主應(yīng)力、小主應(yīng)力和應(yīng)力水平分布。由圖4可知，大主應(yīng)力最大值為2.4 MPa，發(fā)生在覆蓋層底部位置；小主應(yīng)力最大值為1.1 MPa，發(fā)生在覆蓋層底部位置；最大應(yīng)力水平為0.7，發(fā)生在覆蓋層軟弱層中，覆蓋層整體應(yīng)力水平不高，發(fā)生剪切破壞的風(fēng)險較小。

圖4 閘壩最大斷面覆蓋層運行期應(yīng)力情況(單位：MPa，拉為負(fù))

圖5為運行期閘底板拉應(yīng)力分布。由圖5可知，閘底板最大拉應(yīng)力為2.0 MPa，發(fā)生在7號閘底板上表面中間位置，為封閉環(huán)形區(qū)域，未出現(xiàn)擴張趨勢，其余部位拉應(yīng)力較小；由于閘底板采用C40鋼筋混凝土，拉應(yīng)力小于C40混凝土允許拉應(yīng)力，閘底板不會出現(xiàn)拉裂。

圖5 閘底板拉應(yīng)力分布(單位：MPa，拉為負(fù))

圖6為蓄水期防滲墻壩軸向和豎直向應(yīng)力分布。由圖6可知，壩軸向應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力為8.5 MPa，發(fā)生在防滲墻頂部7號閘與右副壩壩段位置，壩軸向最大拉應(yīng)力為2.0 MPa，發(fā)生在防滲墻與右岸邊坡交接面上部位置；豎向應(yīng)力基本均為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為22 MPa，發(fā)生在防滲墻與右岸岸坡交接面底部位置，在防滲墻與左右岸岸坡交接面的頂部位置局部存在拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為2.0 MPa，發(fā)生在右岸側(cè)。防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)表明，其拉壓應(yīng)力均在鋼筋混凝土自身性能控制范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)拉裂或壓損破壞。

圖6 蓄水期防滲墻壩軸向和豎直向應(yīng)力分布(單位：MPa，拉為負(fù))

4 結(jié) 語

隨著壩工理論分析水平的不斷提升以及施工設(shè)備、技術(shù)的不斷進步，在深厚覆蓋層上建設(shè)高混凝土閘壩遇到的閘基沉降、不均勻變形、閘基穩(wěn)定等關(guān)鍵技術(shù)難題均有所突破[8]。本文對建設(shè)在深厚覆蓋層上的丹巴水電站的高閘壩進行靜力特性研究，探索了復(fù)雜地基條件下建設(shè)高閘壩的可行性。研究結(jié)果表明，通過合理的基礎(chǔ)處理方案，可使混凝土閘壩與覆蓋層基礎(chǔ)整體變形協(xié)調(diào)。三維有限元計算成果表明，蓄水運行期覆蓋層基礎(chǔ)的最大沉降為15cm、最大順河向位移為5.8cm，閘底板、防滲墻及覆蓋層基礎(chǔ)的應(yīng)力形態(tài)較好，應(yīng)力水平處于可控狀態(tài)。