庫爾干水庫樞紐大壩結構設計研究

詹 超

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

大型水利工程修建具有十分重要的意義，有利于改善當地水環境條件，改變水資源時空分布不均勻的現狀。準確選取壩址和壩型具有十分重要的意義，有利于節省工程投資，保證工程的安全性[1-3]。壩址選取應當綜合考慮施工、投資、建筑材料以及水工結構參數等因素。分析壩體結構應力可為壩體設計提供依據。張勇超等[4]基于Drucker-Prager準則分析了梯形拱壩的彈塑性漸進破壞過程，獲取拱壩極限承載力；盧偉敏[5]結合工程實例，研究了堆石壩的動力響應特征；李振綱[6]利用數值模擬方法分析堆石壩應力分布特征，為壩體材料分區提供參考；李富忠等[7]分析了毛藏寺電站堆石壩的應力分布特征，認為堆石壩安全性較好；陳丹等[8]通過應力分析，對高拱壩設計進行優化。以庫爾干水利樞紐工程為例，對壩址、壩型選取進行比選，并分析壩體應力分布特征，為壩體設計提供參考。

1 工程概況

庫山河流域位于新疆維吾爾自治區西南部，為解決當地水資源時空分布不均的缺點，修建庫爾干水利樞紐。工程壩址以上集水面積2141km2，多年平均年徑流量6.52億m3。庫爾干水庫正常蓄水位2105m，相應庫容12089萬m3(淤積30年剩余庫容9006萬m3，下同)；死水位2065m，死庫容1494萬m3(129萬m3)，調節庫容10595萬m3(8877萬m3)。庫爾干壩后水電站裝機容量24MW，多年平均年發電量0.859億kW·h。

3 壩址及壩型選取

3.1 壩址比選

根據現場調查成果，庫爾干水庫樞紐工程共有上、中、下三個壩址可供選取。上、中、下3個壩址相距分別相距8km、2.5km，三個壩址工程任務相同，交通、氣候條件基本相同。3處壩址比選結果見表1。

綜合考慮各處壩址的工程投資以及施工難度情況，選擇中壩址作為推薦壩址區。

3.2 壩型比選

在新疆地區兩種常見的壩型是瀝青心墻壩和混凝土面板壩，現對兩種壩型進行比選，見表2。

(a)上壩址

(b)中壩址

(c)下壩址

圖1 各壩址地形特征

表1 壩址比選

表2 壩體類型比選

綜合考慮采用瀝青心墻壩具有耐久性好，壩體填筑工程量較小的特點，雖然工程投資略高，但壩體優點較為顯著，因此，推薦瀝青心墻壩作為推薦壩型。

4 瀝青心墻壩結構設計及應力分析

4.1 壩體結構設計

4.1.1 壩址區地質情況

庫區主要分布有侏羅系、白堊系和第四系地層。基巖為侏羅系和白堊系地層，巖性以砂巖、泥巖為主，屬軟巖、較軟巖，基巖節理裂隙不發育，巖層走向與河谷斜交，庫區無區域性斷裂通過。侏羅系地層為灰黑色粉砂巖、炭質泥巖、泥灰巖夾煤線及薄層砂巖、砂礫巖，分布于庫尾；白堊系地層為磚紅色、棕紅色石英砂巖、細砂巖、砂質泥巖夾礫巖，分布于庫區兩岸，是庫區的主要地層；第四系地層在庫區廣泛分布，巖性為砂卵礫石夾含土塊碎石層、砂礫石、砂卵礫石層、風積(Q3eol)黃土。

4.1.2 壩體結構

擋水建筑物采用碾壓式瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程2109.50m，最大壩高82.0m，壩頂長度702m，壩頂寬度10m，上游壩坡與圍堰結合，壩坡為1∶2.25，下游設之字形永久上壩道路，馬道間局部壩坡為1∶2.0，下游綜合壩為1∶2.22。壩體填筑分區從上游至下游分為：上游砂礫料區、上游過渡區、瀝青混凝土心墻、下游過渡區、下游砂礫料區。心墻厚為0.6-1.0m，在底部做放大基礎與混凝土基座相連，心墻頂部距壩頂2.0m，與壩頂防浪墻銜接，形成封閉的防滲結構。上游壩坡采用現澆混凝土護坡，下游壩坡采用混凝土網格梁回填砂礫料護坡。同時，為增強大壩抗震穩定性，在2107.5-2083.5m高程壩頂區域內鋪設鋼塑土工格柵。瀝青心墻壩典型剖面見圖2所示。

圖2 瀝青心墻壩典型剖面

4.2 壩體應力分析

4.2.1 數值模擬模型及材料物理參數

依據圖2建立瀝青心墻壩數值模擬計算模型。各材料計算參數見表3、表4。其中混凝土及基巖采用摩爾-庫倫模型，其他材料使用鄧肯-張模型。

表3 數值模擬計算材料參數一

4.2 計算結果

4.2.1 心墻處不同高度應力特征

心墻處不同高度應力計算結果見圖3，從圖中可知隨著高程增加，心墻處的應力逐漸減小，主要表現為壓應力，在靠近壩肩位置逐漸出現了部分拉應力。

表4 數值模擬計算材料參數二

K、Kur、Kb分別為模量系數、卸載模量切線體積模量；C、φ為黏聚力、內摩擦角；△φ為內摩擦角衰減系數；n、m分別為模量指數、切線體積模量指數；Rf為破壞比；ρ為密度；γ為容重；μ為泊松比；E為彈性模量。

圖3 心墻處不同高度應力分布特征(軸線處)

4.2.2 垂直水流方向心墻應力分布特征

垂直水流方向心墻應力計算結果見圖4，從圖中可知，應力在壩體與河谷連接部位較大，瀝青混凝土心墻在靠近壩肩部位時出現拉應力，其他部位均表現為壓應力，與河谷距離越近，拉應力值越大。

圖4 垂直水流方向心墻應力分布特征(軸線處)

5 結 論

通過3處壩址及兩種壩型比選，選擇中壩址和瀝青混凝土心墻壩作為庫爾干水庫大壩的壩址和壩體類型，具有工程投資合理，施工難度低，耐久性好等優勢；通過數值模擬發現，隨著高度增加心墻(軸線處)壓應力逐漸減小，在壩肩部位出現部分拉應力，其余部位均為壓應力。垂直水流方向上在壩肩部位出現拉應力，其余部位為壓應力，距離河谷越近，拉應力值越大。在壩體設計過程中應注重加強壩肩、壩頂部位心墻的強度，避免出現拉張破壞，導致壩體安全性降低，影響樞紐工程的正常使用以及流域范圍內居民的正常生產生活。