沂蒙抽水蓄能電站折線型混凝土面板壩數(shù)值模擬分析與應(yīng)用

楊子強，任 強，王彩霞

(1.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；2.水利部交通運輸部南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

面板壩工程因充分利用當(dāng)?shù)夭牧闲阅埽m應(yīng)地形條件，在堆石壩工程設(shè)計特別是抽水蓄能電站工程中應(yīng)用廣泛。山東沂蒙抽水蓄能電站下水庫壩址位于魯峪溝溝口上游約700 m的溝谷處，通過攔溝筑壩形成庫盆，為適應(yīng)地形與地質(zhì)條件，有效提高調(diào)節(jié)庫容，選擇折線型面板壩設(shè)計方案，壩軸線折角52°，在目前已建面板壩工程中折角最大。實踐工程表明[1-2]，利用轉(zhuǎn)角優(yōu)化壩軸線設(shè)計，可充分利用天然地形條件，有效增大天然庫容、降低壩高，并為相鄰建筑物布置創(chuàng)造有利條件[3]，但轉(zhuǎn)角越大，轉(zhuǎn)角部位的應(yīng)力變形越復(fù)雜，因此壩體及防滲體系的運行狀況值得重點關(guān)注[4]。

本文以沂蒙抽水蓄能電站工程為背景，針對該工程可行性研究階段和施工詳圖階段兩組折線型面板壩設(shè)計方案開展對比分析，探討不同階段設(shè)計方案對壩體與防滲體應(yīng)力變形的影響，得出折線型面板壩的應(yīng)力變形規(guī)律，為相似壩型的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，為該類工程實踐提供參考。

圖2 大壩典型斷面(單位：尺寸，mm；高程，m)

1 工程概況

山東沂蒙抽水蓄能電站下水庫大壩采用混凝土面板堆石壩。下水庫正常蓄水位為220 m，死水位為190 m，正常蓄水位以下庫容1 025.58萬m3，調(diào)節(jié)庫容869.03萬m3，死庫容156.55萬m3，是一個以發(fā)電為主的一等大(1)型水電樞紐工程。

面板壩壩頂高程223.6 m，最大壩高78.6 m，壩頂寬10 m，上游壩坡1∶1.4；下游壩坡1∶1.5。為適應(yīng)壩址處地形與地質(zhì)條件，提高天然庫容，減少庫內(nèi)開挖，實現(xiàn)“挖填平衡”，以降低工程投資，壩軸線在近右壩肩的位置布置52°折角，采用一塊5 m寬連接板直接過渡。

施工詳圖階段(方案二)對可研階段(方案一)的大壩布置方案進行優(yōu)化，調(diào)整連接板的長度和轉(zhuǎn)折段趾板、面板布置形式。方案一，連接板長65 m，趾板為折線，面板均寬8 m；方案二，連接板長78 m，趾板為直線，面板寬8 m和16 m，兩種方案的大壩平面布置見圖1所示。

圖1 大壩平面布置

壩體斷面從上游向下游可分為：防滲面板、墊層、過渡層、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)。壩體填筑料以弱風(fēng)化二長花崗巖料為主。大壩典型斷面如圖2所示。

2 計算參數(shù)與計算模擬

2.1 計算模型與參數(shù)

計算采用三維總應(yīng)力有限元分析方法。其中，堆石體靜力計算模型采用Duncan E-B模型，該模型能夠較好地反映筑壩堆石料的非線性特性，參數(shù)確定方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗且已廣泛應(yīng)用于堆石壩工程[5-9]。壩料參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場壩體取料后根據(jù)大型三軸試驗得到，具體見表1。

混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，面板為C25混凝土，按線彈性模型考慮，其彈性模量、泊松比和密度分別為E=28 GPa，μ=0.167，ρ=2.50 g/cm3。面板與墊層之間采用Goodman接觸面單元，接觸面模型參數(shù)參照其他工程試驗資料類比確定，面板周邊縫采用連接單元模擬，面板垂直縫采用分離縫模型模擬。

表1 計算參數(shù)

注：Ρ為壩料干密度；φо、Δφ分別為非線性摩爾圓強度包線剪切角；Rf為破壞應(yīng)力比；K、n為初始切線模量參數(shù)；Kb、m為體積模量參數(shù)。

2.2 計算模擬

三維建模時，空間實體單元采用八結(jié)點六面體等參單元。坐標(biāo)系定義為：X為軸向，指向右岸為正，零點設(shè)置在壩橫0+0 m位置；Y為順河向，指向下游為正，零點設(shè)置在壩軸線壩上(下)0+0.000位置；Z為垂直向，向上為正，以其高程為垂直向坐標(biāo)值。

面板堆石壩三維網(wǎng)格剖分如圖3所示。方案一模型節(jié)點總數(shù)12 089個，單元總數(shù)10 568個；方案二模型節(jié)點13 742個，單元總數(shù)11 792個。單元編號依壩體施工順序以模擬壩體施工過程。混凝土面板網(wǎng)格如圖4所示。模型在基底設(shè)置固定邊界。計算時采用逐級加載的方法模擬壩體填筑、面板澆筑等施工工序，水庫蓄水運行過程通過水荷載分級施加進行模擬。第1級～第24級，模擬壩后壓坡體填筑至183.00 m高程，壩體填筑至防浪墻墻底高程222.6 m；第25級，模擬面板澆筑；第26級，模擬壩體填筑至壩頂高程223.6 m；第27～34級，模擬庫內(nèi)水位由庫底上升至死水位190.00 m；第35～41級，模擬庫內(nèi)水位初次蓄至正常蓄水位220.00 m。

圖3 面板堆石壩三維網(wǎng)格

圖4 混凝土面板網(wǎng)格

3 不同方案計算結(jié)果與分析

3.1 壩體變形對比分析

圖5～圖8分別給出了兩種方案河床部位最大斷面的竣工期和蓄水期壩體位移分布。計算結(jié)果表明：竣工期，壩體順河向變形表現(xiàn)為上游壩體變形指向上游，下游壩體指向下游，方案一指向上、下游最大值分別為9.4、6.4 cm，沉降最大值為29.4 cm，發(fā)生在位于壩體1/2位置；方案二上、下游向變形最大值分別為8.6、5.6 cm，沉降最大值為28.9 cm，最大沉降發(fā)生位置相同。

正常蓄水位運行時，在水壓力作用下，壩體指向下游變形略有增加，方案一最大值增至8.1 cm，指向上游變形減小至4.7 cm，沉降最大值為30.3 cm。方案二上、下游向變形分別為3.9 cm和7.1 cm，沉降最大值為29.8 cm。壩體最大沉降量值約占壩高的0.39%，兩種方案的壩體變形差別不大，面板的優(yōu)化設(shè)計對壩體變形影響不明顯。

圖5 最大剖面竣工期壩體順河向位移等值線(單位：cm)

圖6 最大剖面竣工期壩體沉降等值線(單位：cm)

圖7 最大剖面蓄水期壩體順河向位移等值線(單位：cm)

圖8 最大剖面蓄水期壩體沉降等值線(單位：cm)

3.2 面板應(yīng)力變形對比分析

正常蓄水位工況兩種方案的混凝土面板變形等值線見圖9。從圖9可以看出，面板軸向變形主要表現(xiàn)為兩岸面板向溝谷中央的擠壓變形；面板變形以左側(cè)面板變形為主，方案一蓄水期指向右岸的水平位移極值為0.59 cm，指向左岸水平位移極值為0.69 m。蓄水期左側(cè)面板最大撓度為8.3 cm，右側(cè)面板最大撓度為2.4 cm，方案二通過增加連接板長度，改變轉(zhuǎn)折段面板形態(tài)，指向左岸的水平位移極值明顯減小，極值為0.52 cm。蓄水期左側(cè)面板最大撓度為7.7 cm，右側(cè)面板最大撓度為1.6 cm。

圖9 面板軸向變形等值線(單位：cm)

圖10、圖11為蓄水期面板軸向與順坡向應(yīng)力等值線分布，面板以受壓狀態(tài)為主，軸向應(yīng)力最大值位于左側(cè)直線面板中部，方案一極值為6.11 MPa，左右岸坡附近、與連接板連接部位均有拉應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)，左側(cè)面板與連接板相連處拉應(yīng)力最大，極值為1.19 MPa。順坡向應(yīng)力在連接板處較小，在左、右側(cè)面板段均出現(xiàn)各自最大應(yīng)力區(qū)，左側(cè)順坡向最大值位于面板右下方中部，極值為6.64 MPa，右側(cè)最大值位置在與連接板連接處中部，極值為5.81 MPa，連接板處未出現(xiàn)拉應(yīng)力。采用方案二后，連接板長度增加且轉(zhuǎn)折面板形態(tài)改變，面板應(yīng)力狀態(tài)得到一定改善，該方案面板應(yīng)力均有所降低，軸向拉壓應(yīng)力的極值分別為5.77、1.04 MPa，且該方案順坡向壓應(yīng)力極值區(qū)域變化到面板中部，極值減小到5.35 MPa。

圖10 面板軸向應(yīng)力等值線(單位：MPa)

圖11 面板順坡應(yīng)力等值線(單位：MPa)

3.3 周邊縫變位對比分析

正常蓄水期面板、連接板兩側(cè)接縫及周邊縫錯動值均指向河床，方案一周邊縫最大錯動值為9.1 mm，沉陷最大值為12.6 mm。由于連接板轉(zhuǎn)折部位相互牽引，導(dǎo)致轉(zhuǎn)折處面板拉應(yīng)力和結(jié)構(gòu)縫張開變形明顯增加，且越靠近轉(zhuǎn)折點影響越明顯[3]，左側(cè)直線段最大張開值為10.7 mm，右側(cè)折線面板最大張開值為6.0 mm。方案二的周邊縫最大沉陷量為12.1 cm，面板應(yīng)力狀態(tài)改善，相應(yīng)的周邊縫錯動值、張開值也有所降低，該方案錯動值、張開值最大值分別為8.4、9.8 mm。

從結(jié)構(gòu)縫的變形分布來看，兩個方案總體分布規(guī)律與面板應(yīng)力、位移的分布規(guī)律對應(yīng)較好，面板拉應(yīng)力區(qū)域的變位主要為張拉縫，壓應(yīng)力區(qū)域主要為壓性縫。除了面板底部受壓外，其余部位均為受拉狀態(tài)，量值大小與地形陡峭程度相關(guān)。

4 與實際壩體監(jiān)測值對比分析

沂蒙下水庫大壩于2016年12月10日開始填筑，于2018年12月10日填筑到頂，截止到2019年4月21日，大壩沉降變形趨于穩(wěn)定，月沉降速率小于5 mm/月。壩體最大斷面處監(jiān)測最大沉降量為27.9 cm，模型計算沉降最大值為28.9 cm；靠近連接板剖面位置監(jiān)測最大沉降量為20.0 cm，同一剖面模型計算沉降最大值為21.0 cm。對比可知二者基本一致，且均發(fā)生在壩體1/2位置。

由于當(dāng)前大壩混凝土面板及止水結(jié)構(gòu)尚未施工，無法進行面板應(yīng)力應(yīng)變和接縫變位計算值與監(jiān)測值的對比分析。

5 結(jié) 論

以沂蒙工程折線型面板堆石壩為工程背景，通過非線性有限元進行三維有限元仿真過程分析，經(jīng)與實際壩體部分監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，得到如下主要結(jié)論：

(1)該工程壩體計算沉降量與實際沉降量基本一致，約占壩高的0.39%，與類似工程實測值基本相符。壩體應(yīng)力變形、面板應(yīng)力變形以及周邊縫變位之間存在良好的相關(guān)性，壩料試驗參數(shù)和壩體計算模型選取合理，計算結(jié)果可作為設(shè)計的參考依據(jù)。

(2)折線型面板壩的折角部位應(yīng)力變形復(fù)雜，兩組設(shè)計方案計算結(jié)果均顯示，折線部位的面板向連接板移動產(chǎn)生拉應(yīng)力，附近的面板周邊縫以張拉變形為主，較大的折線夾角造成面板與周邊縫受拉趨勢與程度增加。轉(zhuǎn)折部位面板結(jié)構(gòu)的張拉變形是折線型面板壩的主要工程特性。

(3)兩組設(shè)計方案對比分析表明，調(diào)整和優(yōu)化轉(zhuǎn)折段面板形態(tài)，合理布置連接板能夠有效改善面板應(yīng)力應(yīng)變、接縫變形性狀，增加連接板與兩側(cè)面板的變形協(xié)調(diào)性，并減少應(yīng)力突變現(xiàn)象。

(4)計算結(jié)果表明，面板的拉、壓應(yīng)力在混凝土材料強度允許范圍內(nèi)，但該工程混凝土面板尚未施工，計算結(jié)果有待進一步驗證。同時，考慮面板轉(zhuǎn)折變形與壩體沉降變形相互影響和疊加，建議對于轉(zhuǎn)折部位的面板和連接板均采用雙層雙向配筋。

(5)根據(jù)結(jié)構(gòu)縫的變形分布，總體分布規(guī)律與面板應(yīng)力、位移的分布規(guī)律對應(yīng)較好，結(jié)構(gòu)縫變形量值總體不大，在止水結(jié)構(gòu)的承受范圍之內(nèi)。連接板與兩側(cè)面板的接縫變位以張拉變形為主，建議連接板與兩側(cè)面板的接縫止水采用與周邊縫相同的止水結(jié)構(gòu)形式。