鏨高水電站深覆蓋層泄洪沖沙閘基礎(chǔ)地震永久變形分析

鄧?yán)硐?，吳俊杰，?景

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著新疆水利工程建設(shè)的快速發(fā)展，建于深厚覆蓋層上的水利工程也逐漸增多[1]。然而，復(fù)雜的不良地基條件給水利水電工程建設(shè)帶來一定的困難[2]。本工程位于新疆葉爾羌河道，上游段下坂底河床段覆蓋層厚度達(dá)到150 m[3]，中段的阿爾塔什水利樞紐工程壩址區(qū)覆蓋層達(dá)到94 m[4]，整條河道覆蓋層一般深達(dá)也在40～70 m，這種復(fù)雜的不良地基條件給工程建設(shè)帶來一定的困難，由于深厚覆蓋層的不均勻性[5]，工程的各結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)縫不均勻沉降如果控制不好，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縫變形過大，使得止水失效，最終可能產(chǎn)生滲透破壞[6-9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近40年，由于深厚覆蓋層上建筑物變形控制不當(dāng)導(dǎo)致失事的水閘和大壩，約占失事工程的25%。另據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國外建于軟基及覆蓋層上的水工建筑物，約有一半事故是由于壩基滲透破壞、沉陷太大或滑動等因素導(dǎo)致的[10-14]。因此，河道段深厚覆蓋層上建筑物的變形控制成為目前設(shè)計(jì)階段研究內(nèi)容的重要部分。對南疆莎車縣脫貧工作起到積極推進(jìn)作用的鏨高水電站工程來說，安全運(yùn)行顯得更加重要[15]。根據(jù)規(guī)范要求[16]，認(rèn)為天然土質(zhì)地基上的閘室最大沉降量不宜超過15 cm，最大沉降差不宜超過5 cm。特別要注意的是，在永久縫中所采用的止水結(jié)構(gòu)，要能滿足在發(fā)生相應(yīng)沉降差時仍能保證止水完好的要求。本文建立泄洪沖沙閘、連接板、防滲墻、護(hù)坦模型，覆蓋層靜力計(jì)算模型采用非線性彈性模型即鄧肯張E-B模型，動力計(jì)算模型采用等效線性黏-彈性模型，殘余變形計(jì)算模型采用沈珠江5參數(shù)模型，來研究因閘室及連接板質(zhì)量相差較大導(dǎo)致覆蓋層永久變形產(chǎn)生的不均勻沉降，得到連接部位銅止水的最大剪切變形量，以及閘室基礎(chǔ)覆蓋層最大沉降量[17-20]。

1 工程概況

新疆莎車鏨高水電站是葉爾羌河干流阿爾塔什以下河段水電規(guī)劃梯級開發(fā)中的第1級電站，為引水式電站，上游為阿爾塔什水利樞紐工程，下游為恰木薩水電站。目前，工程區(qū)右岸沿現(xiàn)有道路可達(dá)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)，霍什拉甫鄉(xiāng)現(xiàn)有道路與卡群水電站連接可至莎車縣、澤普縣；工程區(qū)左岸利用甘加特溝道路可達(dá)阿爾塔什進(jìn)場道路，可至莎車縣；左右岸施工對外交通比較便利。水庫正常蓄水位1 611 m，正常蓄水位相應(yīng)庫容1 656.1×104m3；死水位1 608 m，死庫容1 045.1×104m3，調(diào)節(jié)庫容611×104m3，工程等別為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。工程地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，工程抗震設(shè)防類別為丙類。工程的標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖及防滲系統(tǒng)大樣見圖1、圖2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

圖2 防滲系統(tǒng)大樣

2 泄洪沖沙閘

本工程泄洪沖沙閘的主要任務(wù)是泄洪和沖沙，布置樁號壩0+344.88 m～壩0+456.58 m，壩0+519.20 m～壩0+533.00 m。泄洪沖沙閘位于攔河壩上，閘底板高程為1 595.00 m，閘頂高程為1 614.30 m，共20孔，每孔設(shè)一道檢修閘門槽和一道工作閘門。檢修閘門：閘門采用下游面板，下游封水型式，懸臂輪支承。工作閘門：孔口尺寸4 m×4 m，設(shè)計(jì)水頭16 m。閘門動水啟閉,避開振動區(qū)控制開度運(yùn)行，由容量為630/400 kN(啟門力/閉門力)的擺動式液壓啟閉機(jī)操作，液壓缸安裝在1 607.50 m高程的平臺上，液壓啟閉機(jī)的控制設(shè)備(泵站、油箱、電氣設(shè)備)布置在1 607.00 m高程的閘頂平臺上，泄洪沖沙閘結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)布置圖見圖3。金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件具體數(shù)量及重量見表1。

圖3 泄洪沖沙閘結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)布置圖

表1 泄洪沖沙閘金屬結(jié)構(gòu)

3 基本地質(zhì)條件

鏨高水電站工程壩址區(qū)位于西昆侖山東部中低山區(qū)，葉爾羌河由霍斯拉甫大彎曲轉(zhuǎn)為較順直段，流向近北東向。壩址為寬U形河谷，左岸有Ⅰ～Ⅳ級階地分布，Ⅲ、Ⅰ級階地分布不連續(xù)，Ⅱ、Ⅳ級階地分布相對而言較連續(xù)，總體坡度在30°～35°，地形相對較緩。右岸為一北東向延伸的基巖山梁，岸坡自然坡度45°～55°。現(xiàn)代河床500 m左右，發(fā)育漫灘、心灘。河床覆蓋層為第四系沖積砂卵石，最大厚度55 m為深厚砂礫石覆蓋層，主要為砂卵礫石層夾有多層缺細(xì)粒充填卵礫石(強(qiáng)滲層)，為強(qiáng)透水層。

4 有限元計(jì)算分析

根據(jù)規(guī)范[16]要求，水閘地基在各種運(yùn)用情況下均應(yīng)滿足承載力、穩(wěn)定和變形的要求。水閘地基計(jì)算應(yīng)根據(jù)地基情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工條件進(jìn)行。同時，土質(zhì)地基允許最大沉降量和最大沉降差應(yīng)以保證水閘安全和正常使用為原則。由于本工程的泄洪沖沙閘位于深厚覆蓋層上，閘室屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的二維計(jì)算無法準(zhǔn)確反映閘室的自重與重心對覆蓋層壓力及最大沉降的影響，同時無法考慮混凝土結(jié)構(gòu)與覆蓋層之間的接觸作用。本次計(jì)算竣工期、正常蓄水期、正常蓄水期+Ⅷ度地震3個工況下，三維閘室自重+金屬結(jié)構(gòu)自重+動水附加質(zhì)量力+地震邊界對覆蓋層基礎(chǔ)產(chǎn)生的最大沉降變形量及沉降差。

4.1 計(jì)算模型

4.1.1 靜力模型

砂礫石覆蓋層的鄧肯-張E-B模型對應(yīng)的彈性矩陣形式見式(1)[21]，混凝土閘室采用線彈性模型。

(1)

對應(yīng)的切線彈性模量Et與體積模量B兩個彈性參數(shù)以及回彈模量見式(2)-式(4)[8]：

以52×31的豎式計(jì)算為例，摘錄學(xué)生錯解，如圖1、圖2。可以看出學(xué)生的錯因是用第二個因數(shù)中的3去乘2，得到的積末位應(yīng)寫在哪里？為什么？這是學(xué)生最易出錯的地方，也是本課重難點(diǎn)所在。為此，我從算式的意義和直觀情境圖入手，引導(dǎo)學(xué)生從位值制思想去理解“算理”，從而理解乘數(shù)中每個數(shù)相乘時各自應(yīng)寫在什么位置上，如圖3所示。消除學(xué)生的困惑，幫助學(xué)生真正理清算法，突破本課教學(xué)重難點(diǎn)，即“十位上的數(shù)依次去乘第一個因數(shù)每位上的數(shù)”的計(jì)算方法。

(2)

(3)

Eur=KurPa(σ3/Pa)n

(4)

其中：Sl為應(yīng)力水平，由式(5)計(jì)算[8]：

(5)

模型中混凝土的靜力彈性模量E為30 GPa，動力彈模量為靜力彈性模量的1.5倍，泊松比μ=0.167。由于本工程與阿爾塔什水利樞紐工程非常近，因此本工程的靜動力學(xué)參數(shù)均采用阿爾塔什水利樞紐工程覆蓋層的試驗(yàn)參數(shù)。靜力變形參數(shù)采用大連理工大學(xué)超大型靜三軸試驗(yàn)結(jié)果[22]，見表2。

表2 砂礫石覆蓋層鄧肯E-B模型參數(shù)表

4.1.2 防滲墻、護(hù)坦、連接板接觸面模型

對于三維模型中混凝土與砂礫料之間的相對位移，本次采用接觸面模型，該模型中兩個切線方向剛度分別為[23-24]：

(6)

(7)

接觸面本構(gòu)模型的參數(shù)見表3。

表3 接觸面計(jì)算模型

4.1.3 動力本構(gòu)模型

(8)

動剪模量與阻尼參數(shù)見表4。

表4 砂礫石覆蓋層動剪模量與阻尼參數(shù)

4.1.4 永久變形計(jì)算模型

沈珠江提出土料殘余剪應(yīng)變與殘余體應(yīng)變隨應(yīng)力狀態(tài)和振次數(shù)的關(guān)系，即土料永久變形計(jì)算模型見式(9)、式(10)[25]：

(9)

(10)

式中：Δεvr為殘余體積應(yīng)變增量；Δγr為殘余剪切應(yīng)變增量；γd為動應(yīng)變幅值；ΔN為時段增量；N為總振動次數(shù)；Sl為剪應(yīng)力比；C1、C2、C3、C4、C5為壩料殘余變形參數(shù)。

砂礫石覆蓋層殘余變形參數(shù)見表5。

表5 砂礫石覆蓋層殘余變形參數(shù)

4.2 閘室施工過程模擬

閘室施工期填筑分22步，在施工期過程中分3步。地震動水壓力采用附加質(zhì)量進(jìn)行模擬。

4.3 閘室模型及邊界

本工程閘室、連接板、護(hù)坦、防滲墻、覆蓋層的網(wǎng)格計(jì)算模型見圖4，模型結(jié)點(diǎn)總數(shù)為20 688個，單元總數(shù)為14 887個。護(hù)坦結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 806個，單元總數(shù)為1 220個；防滲墻結(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 184個，單元總數(shù)為1 500，以上所有結(jié)構(gòu)除鋼閘門為殼單元，其余均為六面體實(shí)體單元。模型覆蓋層靜力邊界條件底部全約束，順?biāo)?、垂直水流面均為法向約束。

圖4 閘室段模型的有限元剖分圖

4.4 地震動輸入

鏨高水電站距阿爾水利樞紐工程壩址區(qū)直線距離15 km左右，因此本工程的動力參數(shù)采用阿爾塔什水利樞紐工程的所有動參數(shù)，覆蓋層動力邊界的地震波輸入100年超越概率1%的地震動峰值加速度為440.5 gal，特征周期為0.65 s，豎向震動峰值加速度為順河向的2/3。根據(jù)地震特征參數(shù)繪制設(shè)計(jì)地震標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，見圖5，人工擬合震動時程曲線見圖6，持續(xù)時長為40 s。

圖5 設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜與人工擬合反應(yīng)譜(阻尼5%)

圖6 壩址基巖人工擬合地震加速度時程曲線

4.5 計(jì)算工況及荷載組合

為了更好地模擬閘室在各工況時的沉降量及結(jié)構(gòu)縫的變形量，本次計(jì)算完建期考慮閘室混凝土自重+基礎(chǔ)自重+金屬結(jié)構(gòu)自重。正常蓄水工況時，還需考慮混凝土與水接觸部位的壓力、基礎(chǔ)底部的揚(yáng)壓力等，同時計(jì)算正常蓄水位+地震荷載時考慮水的附加質(zhì)量力，得出閘室的沉降量和結(jié)構(gòu)沉降差，各工況荷載組合見表6。正常蓄水位的施工工序，按照“基礎(chǔ)開挖-地應(yīng)力平衡-防滲墻施工-基礎(chǔ)回填-閘室分層澆筑-金屬結(jié)構(gòu)安裝-正常運(yùn)行”6種工序模擬，在水閘施工過程中的變位是逐級進(jìn)行疊加，地基沉降變形在逐級荷載下呈現(xiàn)出非線性特性。正常蓄水位+地震荷載工況的永久變形是動力成果與靜力成果疊加后的最大變形量。

表6 各工況荷載組合

5 結(jié)果與分析

根據(jù)三維靜動力計(jì)算，得到不同工況下變形沉降量，見表7。

表7 各工況荷載組合沉降量

施工期進(jìn)行了地應(yīng)力平衡，為后續(xù)計(jì)算提供應(yīng)力場及平衡后的位移場?？⒐て?，閘室自重加上金屬結(jié)構(gòu)對砂礫石覆蓋層產(chǎn)生的沉降量最大值為1.87 cm，在自重作用下，閘室底部基礎(chǔ)的變形要比連接板、護(hù)坦基礎(chǔ)產(chǎn)生變形量大，防滲墻與連接板沉最大沉降高差為0.56 cm，連接板與閘室進(jìn)口接縫的最大沉降高差為0.74 cm。

正常運(yùn)行期在水荷載作用下，覆蓋層產(chǎn)生的沉降量最大值為2.41 cm。閘室前段護(hù)坦及連接板受水荷載作用更加貼合基礎(chǔ)，同時水閘在揚(yáng)壓力作用下有微小上抬，此時，防滲墻與連接板沉最大沉降高差為0.02 cm，連接板與閘室進(jìn)口沉降高差為0.03 cm。

正常運(yùn)行期+Ⅷ度地震，靜動力疊加后覆蓋層產(chǎn)生的永久沉降量為4.49 cm。雖然連接板重量較小，但閘室對覆蓋層基礎(chǔ)的壓縮量也影響到連接板。此時，連接板沉降也有所加大，防滲墻與連接板沉最大沉降高差為1.26 cm，連接板與閘室進(jìn)口沉降高差為2.56 cm。上述3個工況中，閘室基礎(chǔ)覆蓋層最大沉降量小于規(guī)范中允許沉降變形量15 cm的要求，最大沉降差也小于規(guī)范要求沉降差允許值5 cm的要求，且遠(yuǎn)小于銅止水鼻子10 cm的剪切變形量。閘基永久變形見圖7。

圖7 正常蓄水位+地震工況閘基永久變形沉降云圖(單位：m,變形放大20倍)

6 結(jié) 論

本工程為Ⅲ等中型工程，建于深厚覆蓋上，防滲墻與連接板、閘室與連接板的沉降差及閘室整體的沉降問題對整個工程安全運(yùn)行至關(guān)重要。通過三維有限法計(jì)算泄洪沖沙閘基礎(chǔ)沉降及結(jié)構(gòu)縫間沉降差，結(jié)果表明：

1) 竣工期、正常運(yùn)行期、正常運(yùn)行期+地震工況隨著荷載逐漸變大，覆蓋層產(chǎn)生的沉降量、接縫的沉降差逐漸增大，覆蓋層在正常運(yùn)行期+地震工況時基礎(chǔ)沉降最大，但最大永久變形遠(yuǎn)小于規(guī)范15 cm的要求。接縫處永久變形最大沉降差最大值也小于規(guī)范5 cm允許值的要求。表明閘室在上述3個工況下不會因?yàn)榛A(chǔ)不均勻沉降而發(fā)生破壞。

2) 針對此類建于深厚覆蓋層上的水閘或閘壩類工程，因其基礎(chǔ)不均勻沉降，設(shè)計(jì)人員可采用三維有限元靜動力的方法進(jìn)行分析計(jì)算，為同類型工程提供借鑒。