面板堆石壩壩身溢洪道應力變形及安全穩(wěn)定分析

陳云雀，景霞娟，李玉芬，雷文娟

(1.浙江省水利水電技術咨詢中心，浙江 杭州 310020；2.長江職業(yè)學院，湖北 武漢 430074)

1 概述

溢洪道作為水庫防洪設施，在泄洪時起著保護大壩安全的重要作用，一旦失事，后果十分嚴重[1]。比如最近發(fā)生的美國奧羅維爾(Oroville)大壩險情，更讓世人清楚地認識到了溢洪道的重要性，作為美國最高水壩(最大壩高234m)，大壩溢洪道在泄洪時出現了一個長61m、深9m的大洞，大量洪水溢出，近19萬居民被迫緊急大撤離[2-4]，社會影響巨大。對于溢流式面板堆石壩，因其顯著的特點正日益受到國內外壩工界的重視[5]，如新疆榆樹溝水庫CFRD工程[6]、浙江麗水大弈坑面板堆石壩[7]、新疆保爾德面板堆石壩[8]、桐柏抽水蓄能電站面板堆石壩[9]等。壩身溢洪道修建在以松散介質為材料、人工碾壓填筑的堆石體上，同時又經受高速水流作用，如果失事，其后果將比岸邊式溢洪道嚴重得多。

因此，下面以白河溝水利工程為例，利用ADINA有限元軟件對壩身溢洪道的應力變形特點和結構安全性進行研究。

2 工程概況

白河溝水利樞紐[10-11]位于盤縣西部平關鎮(zhèn)，由攔河壩、泄洪建筑物、輸水建筑物等組成。水庫正常蓄水位為1840.00m，正常蓄水位以下庫容為1400萬m3，設計洪水位為1841.09m，相應庫容為1530萬m3，校核洪水位為1842.26m，總庫容為1670萬m3。工程等別為III等，主要建筑物級別為3級。

攔河壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高60.4m(壩頂高程為1844.4m)，壩頂寬8m，壩頂長195m，壩體上下游邊坡均為1∶1.4，下游壩面設置1級馬道。壩頂溢洪道布置于面板堆石壩上，位于壩體左壩段，溢洪道中心線樁號為橫左0+019.500，由溢流堰進口段、泄槽、挑流鼻坎組成。進口段設2孔，每孔凈寬15m，中間設1m中墩。溢流堰采用駝峰堰，堰頂高程為1840m，堰上不設閘門。溢流前沿凈寬30m，全長103.257m。泄槽由3段組成，坡比依次為1∶1.4、1∶4和1∶1.4。挑流鼻坎以下為C15混凝土基礎。溢洪道結構如圖1所示。

圖1 溢洪道結構設計圖(橫左0+019.500)

3 計算模型及參數

壩身溢洪道結構復雜，加上分縫較多，在進行大壩整體有限元分析時，由于保證壩身溢洪道應力計算精度的建模和網格剖分難度較大，為確保溢洪道處應力變形狀態(tài)真實可靠，本文采用子模型技術來分析壩身溢洪道的應力變形情況。

3.1 計算模型

整體有限元模型范圍為：壩體左右岸分別向外延伸30m，上游面向上游延伸30m，下游面向下游延伸40m，壩底最低點向下延伸40m至1741m高程。模型按照實際體型建模，單元數共計23959個，如圖2所示。

圖2 整體有限元模型(下游視圖)

壩身溢洪道有限元子模型包括溢流堰進口段、泄槽、挑流鼻坎以及溢流面以下C15混凝土、墊層區(qū)、過渡區(qū)、部分堆石體、部分地基等。子模型單元數共計23799個，如圖3所示。

圖3 壩身溢洪道子模型

3.2 計算參數

堆石體、墊層材料采用非線性彈性模型的鄧肯E-B模型[12-14]；而面板和溢洪道材料都是混凝土材料，計算時采用線彈性模型計算；地基材料也采用線彈性模型；溢洪道結構縫采用有厚度接觸單元[15-16]模擬。計算參數見表1—4。

表1 壩料Ducan E-B模型計算參數表

表2 地基材料參數

表3 混凝土材料參數

表4 有厚度接觸單元計算參數

4 計算結果分析

本次應用子模型技術進行了壩身溢洪道有限元分析，擬了解泄洪工況下溢洪道應力變形情況、混凝土底板應力變形規(guī)律和溢洪道底板結構縫的變形形態(tài)，同時考慮增大泄水產生的動水壓力(3倍動水壓力工況)，分析擴大動水壓力后對溢洪道的影響。

4.1 溢洪道軸線剖面應力變形

溢洪道鉛直沉降主要集中在堰頂段和泄槽Ⅰ處，軸線剖面位置的最大沉降發(fā)生在堰頂底部堆石處(基本在5cm左右)，而泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ區(qū)域基本沒有沉降發(fā)生，主要原因為泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ修建在基巖上。當增大溢洪道泄洪產生的動水壓力值時，溢洪道的鉛直沉降及下游向位移極值基本沒有變化，溢洪道泄水產生的動水壓力擴大3倍后，對順河向的位移影響不大。

溢洪道小主應力(拉應力)較小，但在溢洪道堰頂上游側底板與面板交界處出現了應力集中，泄洪工況為1.53MPa左右的拉應力，在超動水壓力(3倍動水壓力)作用下，應力集中情況有所加劇，但是影響并不顯著，交界處的應力極值為1.55MPa，仍在許可范圍內。大主應力(壓應力)極值明顯大于鉛直向應力極值，水庫泄水作用對壓應力增幅明顯，應力極值發(fā)生在泄槽Ⅰ中段底板處，主要原因為泄水作用使泄槽Ⅰ區(qū)中部為增壓區(qū)。當增大溢洪道泄洪產生的動水壓力值時，壓應力極值明顯增大，可見，動水壓力對溢洪道壓應力影響較大。泄水工況及3倍動水壓力工況下溢洪道軸向剖面應力變形極值見表5。

表5 溢洪道軸向剖面應力變形極值表

4.2 溢洪道底板應力變形

與堆石壩整體模型在溢洪道軸線剖面位置的變形相比，整個溢洪道子模型的位移變形都比較小，而溢洪道底板的位移變形更小，為毫米量級。經分析，溢洪道底板的位移變形主要為沉降位移和順河向位移，沉降位移基本發(fā)生在堰頂段和泄槽Ⅰ段，泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ段基本為零，這與溢洪道的布置相關；順河向位移基本為下游向位移，自堰頂到挑坎依次減小。泄水工況及3倍動水壓力工況下，溢洪道底板位移變形基本相同，僅泄槽Ⅰ段的沉降位移相對于泄水期稍有增大，見表6。由表6可見，增大泄水水壓力對溢洪道位移變形影響不大，不會影響溢洪道正常工作。

表6 溢洪道底板位移變形極值表 單位：mm

溢洪道底板的應力情況與溢洪道子模型的應力量級上相差不是很大，拉應力和壓應力值在堰頂段和泄槽Ⅰ區(qū)域較大，但在泄槽Ⅱ區(qū)和泄槽Ⅲ區(qū)數值很小。增大泄洪動水壓力對底板拉應力的增大基本沒有影響，但會增大底板的壓應力值，本文采用3倍動水壓力，壓應力值增大不是很明顯，見表7。可見，在3倍動水壓力作用下不會對溢洪道造成強度破壞。

表7 溢洪道底板應力極值表 單位：MPa

4.3 溢洪道結構縫變形

本次分析的溢洪道結構復雜，結構縫的設置較多，有Ⅰ類橫縫、Ⅰ類縱縫、Ⅱ類橫縫和Ⅱ類縱縫，如圖4所示。整個面板堆石壩最大壩高為60.4m，屬于中低壩，而溢洪道修建在壩體左岸堆石體和下游地基上，變形量很小。同時，溢洪道底板下有C15混凝土或地基，且底板重力較小，另外，本次計算中未考慮堆石體后期沉降和流變等因素影響，此溢洪道的結構縫變形很小。

圖4 壩身溢洪道分縫示意圖

4.4 溢洪道底板的抗滑穩(wěn)定性

通過溢洪道底板的應力變形分析可知，泄水過程中，溢洪道底板應力變形主要發(fā)生在溢洪道堰頂段和泄槽Ⅰ區(qū)域，泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ區(qū)域的應力變形量都很小，且后兩個區(qū)域的泄槽底板坡度較小且都修建在基巖上，底板的穩(wěn)定性有保證。泄槽Ⅰ段的底板坡度為1∶1.4，坡度較大，且修建在人工碾壓堆石上，其穩(wěn)定性有待考究。而堰頂段布置在壩頂，為弧形結構，從結構上看一般不會發(fā)生滑動。可見，白河溝溢洪道底板的穩(wěn)定性主要取決于泄槽Ⅰ段底板的穩(wěn)定性。

經抗剪斷摩擦公式計算，在未考慮鋼筋的錨固力時，泄槽Ⅰ段底板抗滑穩(wěn)定安全系數均小于1，不能滿足溢洪道的抗滑穩(wěn)定要求。泄槽Ⅰ段的底板坡度較陡，矩形底板不易穩(wěn)定，在實際施工中要采用加固措施，如設置混凝土錨梁等，以確保溢洪道的正常運行。

5 結語

溢流式面板堆石壩的溢洪道應力變形及結構穩(wěn)定性十分重要，能否較好的解決這個問題直接影響著大壩的安全運行。本文以白河溝工程為例，分析了溢洪道軸線剖面、底板、結構縫的應力變形情況以及溢洪道底板的抗滑穩(wěn)定性。經分析可知，泄水產生的動水壓力會對壩身溢洪道的沉降位移和主壓應力帶來一定影響，對順河向位移和主拉應力影響不顯著；面板堆石壩壩身溢洪道會在上游底板與面板的交界處出現應力集中現象，主要表現為拉應力，在設計時應予重視；為確保壩身溢洪道底板的抗滑穩(wěn)定性，施工過程中要注意混凝土錨固鋼筋等加固措施的設置。