曲河水庫面板堆石壩靜動力特性研究

謝乾坤

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430000）

概述

有限元分析方法是進行面板堆石壩應力應變分析的有效手段,它可以模擬堆石體的非線性特性以及復雜的地基條件。張亞楠等[1]采用修改后的廣義塑性模型,進行了200 m 級砂礫石面板壩的有限元靜、動力反應分析；鄒德高等[2]以清遠水利樞紐為例,通過計算分析提出了對深厚砂卵礫石地基的綜合處理措施；許光遠等[3]采用動力三軸試驗對面板堆石壩瀝青混凝土心墻的動力特性進行了研究；董景剛等[4]通過數值模擬試驗確定了接觸面模型參數的合理取值范圍,研究了不同墊層厚度對面板動力特性的影響；孫立昌等[5]針對廈門抽水蓄能電站工程混凝土面板堆石壩,進行三維非線性靜動力有限元分析,研究竣工期和運行期壩體的位移、應力分布規律、地震反應規律。

曲河水庫混凝土面板堆石壩軸線全長226.0 m,壩頂高程801.00 m,防浪墻高1.2 m,河床壩基建基高程736.00 m,趾板建基面高程727.00 m,最大壩高74.0 m,壩頂寬度8.0 m。壩頂上游側設置0.4 m×1.2 m 的C20 混凝土防浪墻,墻下設置0.8 m×0.6 m的基座,下游側設置1.0 m 高的C20 混凝土欄桿。水庫正常蓄水位797.00 m,設計洪水位798.90 m,校核洪水位799.88 m。根據工程實際和料場情況,壩體填料包括蓋重區、鋪蓋區、墊層區、過渡區、主堆石區、次堆區和特殊墊層區,見圖1。

圖1 混凝土面板堆石壩主要分區示意

1 面板堆石壩應力應變分析

1.1 計算方法和步驟

計算采用平面二維有限元法,計算程序采用河海大學Autobank 程序。為便于單元網格劃分,下游壩坡作了均坡處理。劃分網格后的計算模型見圖2。

圖2 計算模型簡圖

荷載加載步驟如下：

Step1：地基和地基約束；

Step2-12：壩底至壩頂高程分層填筑,共計11 層；

Step13：正常蓄水位下的水壓力；

Step14：地震水平動加速度,0.2g。

1.2 計算參數大壩計算指標見表1,另根據相關文獻資料,Kur=2K。

表1 筑壩材料主要物理力學指標建議值表

1.3 計算成果分析

根據荷載加載步驟,列出了Step12（竣工期）、Step13（蓄水期）、Step14（正常水位遇地震）三種工況下的應力和變形成果,計算成果圖見圖3～圖14。

圖3 竣工期第一主應力

圖4 竣工期第三主應力

圖5 竣工期水平位移

圖6 竣工期豎向位移

圖7 蓄水期第一主應力

圖14 正常水位+地震工況豎向位移

根據計算成果圖可知,大壩各工況下的應力應變成果見表2。

表2 大壩應力應變計算成果

圖8 蓄水期第三主應力

圖9 蓄水期水平位移

圖10 蓄水期豎向位移

圖11 正常水位+地震工況第一主應力

圖12 正常水位+地震工況第三主應力

圖13 正常水位+地震工況水平位移

壩體的位移、應力分布合理。蓄水期最大沉降為36 cm。整個壩體和壩基應力水平均小于1,壩體和壩基無局部失穩或剪切破壞現象。

2 大壩抗震措施

根據有限元的計算結果,參照國內已建高面板堆石壩防震抗震設計經驗,在大壩上部15 m（約壩高的）范圍內,采用加筋、加蓋護面板及減緩壩坡等措施來保證大壩的抗震安全。具體措施為：

（1） 放緩下游壩坡；根據《混凝土面板堆石壩設計規范》5.2.1：“當筑壩材料為硬巖堆石料時,上、下游壩坡可采用1:1.3～1:1.4”, 本工程所用堆石料為灰巖,按規范,壩坡可采用1:1.4,考慮抗震因素,下游坡取為1:1.6。

（2） 壩頂以下15 m 范圍內,每0.8 m 設一層土工格柵。

3 結論

本研究采用有限元分析方法,對曲河水庫面板堆石壩開展靜動力特征研究,得到了面板堆石壩的應力分布規律和變形特征,并提出了相應的抗震處理措施,研究成果對類似工程具有參考價值。