新疆吉爾格勒德水利樞紐工程壩體應力變形計算分析

肖 兵

（新疆水利水電項目管理有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

隨著水利工程建設的高速發展,我國在建的混凝土重力壩的結構體型也越來越復雜且形式多樣,因擋水壩高度不同,出現了不同程度的壩體與壩后建筑物的功能疊合區,因疊合區結構重疊程度的不同,對壩體應力的影響以及應受到的重視程度也不同[1]。本文針對新疆吉爾格勒德水利樞紐工程壩體應力變形進行計算分析。

1 工程概況

吉爾格勒德水利樞紐工程位于天山北坡經濟帶的西端“金三角城市經濟圈”的烏蘇市境內,東距新疆首府烏魯木齊市310 km,距烏蘇市60 km。樞紐工程位于四棵樹河上游中山區河段上,屬于典型的大陸性干旱氣候區：四季氣溫懸殊,干燥少雨,冬夏季長而春秋季短,氣溫年較差大,春季升溫快,秋季降溫迅速等。吉勒德水文站多年平均氣溫6.7℃,多年平均降水量262.2 mm,多年平均蒸發量1018.0 mm。水庫功能以灌溉、工業供水為主,兼顧防洪、發電。是四棵樹河當地水資源合理利用與配置的重要控制性水利樞紐工程。選定水庫壩址位于四棵樹河與九巴勒貝其爾溝匯合口上游約1 km處,下距四棵樹河吉勒德水文站14.5 km,水文站斷面多年平均年徑流量3.043 億m3,壩址多年平均控制徑流量2.932 億m3。

2 壩體應力變形計算

2.1 計算方法簡述

網格剖分充分考慮壩址地形條件和大壩材料分區,參照大壩各典型斷面剖面圖,建立三維有限元數值分析模型。模型底部取到弱風化層,上下游側取約1倍壩高作為上下游截斷邊界,壩軸線方向取到兩岸基巖作為邊界。模型上下游側施加法向約束,基巖面施加三個方向約束。有限元模型共剖分73976 個單元,80315 個節點（見圖1）。混凝土防滲墻與覆蓋層間設置接觸單元。

圖1 模型示意圖

2.2 計算模型和參數

本次壩體應力變形分析,堆石料的本構模型以沈珠江院士提出的“南水”雙屈服面彈塑性模型為主,該型與非線性彈性模型相比,堆石體的剪脹和剪縮特性可較為真實地反映壩體應力應變性狀。混凝土結構采用線彈性模型,其應力應變關系符合下列廣義虎克定律。混凝土防滲墻標號為C35,按線彈性模型考慮,其彈性模量、泊松比和密度分別為E=31.5 GPa, =0.167,ρ=2.45 g/cm3。混凝土基座標號為C25,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, =0.167,ρ=2.45 g/cm3。強風化基巖亦按線彈性模型考慮,其彈性模量、泊松比和密度分別為E=2.97 GPa,=0.167,ρ=2.7 g/cm3。壩料及河床覆蓋層靜力計算參數根據試驗成果選取,薄層單元、泥皮單元和沉渣單元參數根據文獻資料選取,最后采用的計算參數見表1。

表1 鄧肯模型（E-B）參數表

2.3 壩體應力變形計算成果

圖9~圖20為工程竣工期與蓄水期靜力分析結果及防滲體系變形和應力示意圖。可知,壩體最大斷面沉降和順河向位移分布等值線圖,最大沉降為47.2 cm,最大順河向位移為15.7 cm（指向上游）和13.0 cm（指向下游）,竣工期壩體沉降和順河向位移基本對稱。

圖2 最大斷面竣工期沉降分布等值線圖(單位：cm)

圖9 混凝土基座竣工期小主應力分布云圖(單位：kPa，拉為正)

圖20 竣工期蓄水期心墻接頭部位(局部)應力水平等值線圖

瀝青混凝土心墻最大豎向應變為4.1%,為壓縮應變；最大順河向應變2.4%,為膨脹應變,壩軸向應變均較小。

瀝青混凝土心墻竣工期應力水平分布最大應力水平為0.83,發生在心墻底部與混凝凝土基座連接位置附近。

混凝土基座大小主應力竣工期混凝土基座最大拉應力為3.17 MPa,最大壓應力為21.14 MPa。

（1）靜力分析成果（竣工期）

圖3 最大斷面竣工期順河向分布等值線圖(單位：cm)

圖4 大壩縱向竣工期豎向應變等值線圖(%，負值表示壓縮應變)

圖5 大壩縱向竣工期順河向應變等值線圖(%，正值表示膨脹應變)

圖6 大壩縱向竣工期壩軸向應變等值線圖(%，正值表示膨脹應變)

圖7 大壩縱向竣工期應力水平分布等值線圖

圖8 混凝土基座竣工期大主應力分布云圖(單位：kPa，拉為正)

（2）靜力分析成果（蓄水期）

圖10 最大斷面蓄水期沉降分布等值線圖(單位：cm)

圖11 最大斷面蓄水期順河向位移分布等值線圖(單位：cm)

圖12 大壩縱向蓄水期豎向應變等值線圖(%，負值表示壓縮應變)

圖13 大壩縱向蓄水期順河向應變等值線圖(%，正值表示膨脹應變)

圖14 大壩縱向蓄水期壩軸向應變等值線圖(%，正值表示膨脹應變)

圖15 大壩縱向蓄水期應力水平分布等值線圖

圖16 混凝土基座蓄水期大主應力分布云圖(單位：kPa，拉為正)

圖17 混凝土基座竣工期小主應力分布云圖(單位：kPa，拉為正)

（3）防滲體系變形和應力

圖18 防滲體系(心墻及防滲墻)竣工期和蓄水期順河向位移和沉降分布曲線(單位：cm)

圖19 竣工期、蓄水期心墻接頭部位(局部)順河向應變等值線圖(%，壓為正)

由上圖匯總壩體應力變形結果見表2。

表2 壩體應力變形計算成果表

2.4 成果分析

（1）竣工期壩體順河向變形基本對稱,蓄水導致壩體指向上游側位移減小,指向下游側變形增大。

（2）在未考慮濕化和流變情況下,蓄水期壩體沉降略小于竣工期沉降,壩體受水的浮托,略有上抬。

（3）竣工期和蓄水期瀝青混凝土心墻順河向、豎向以及壩軸線方向應變不大,在心墻允許應變范圍內；心墻應力水平整體不高,絕大部分心墻的應力水平均不超過0.5,僅在心墻與防滲墻連接位置出現較高的應力水平。據此可判斷心墻在竣工期和蓄水期是安全的。

（4）瀝青混凝土心墻竣工期和蓄水期的均在0.3~0.5 之間,滿足規范要求,心墻不會產生過量的體變而失穩；心墻豎向應力大于水壓力,不會產生水力劈裂。

（5）混凝土基座在竣工期出現較大拉應力,應引起重視,壓應力在C25 混凝土允許范圍內。

（6）防滲墻在竣工期和蓄水期壩軸線和豎向應力基本為壓應力,僅兩岸邊界處很小范圍內出現拉應力,是邊界效應導致的計算失真所致。防滲墻最大壓應力略超過C35 混凝土的允許范圍,蓄水期最大壓應力有所減小。

3 結語

吉爾格勒德水庫修好后,利用水庫調蓄洪水,削減洪峰,平原區的堤防等工程設施的防洪能力由10年可提高到50年。通過修建吉爾格勒德水庫削減河道的洪峰流量,進一步減小下游河段的洪災損失。吉爾格勒德水利樞紐工程是四棵樹河具有調節水量、防洪、進一步開發水能資源等綜合利用效益的關鍵性水利樞紐工程,是四棵樹河結合艾比湖生態保護工程—精奎干渠外調水量,合理利用當地與外調水資源量的重要控制性水利樞紐工程。興建吉爾格勒德水利樞紐工程,可保證各業用水、充分發揮綜合利用效益,有力促進流域的發展和繁榮,不斷提高流域各族人民的生活水平,將使流域社會更加和諧。