青海同德抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板壩三維有限元應力變形分析

趙智偉,劉曉光,米占寬,馬秀偉

(1. 國家能源投資集團有限責任公司,北京 100011;2. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;3. 南京水利科學研究院,南京 210029)

0 前 言

抽水蓄能電站上水庫海拔較高,水源相對匱乏[1],一般需采用全庫盆表面防滲方案[2],其中庫底防滲面積占比較大(約65%以上)、投資占比較高。西北地區地處高海拔、嚴寒、強紫外線、高地震烈度等嚴苛自然條件,抽水蓄能電站建設中存在混凝土低溫抗裂、材料老化、防震抗震設計復雜等突出問題,青海同德抽水蓄能電站上水庫創新性地采用庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜防滲型式,有效地降低了工程投資,對西北地區抽水蓄能電站防滲方案設計有引領示范作用。

同德抽蓄上水庫工程區地層巖性復雜,地震烈度高,土石方工程量大。筑壩材料中,礫巖軟化系數低,砂巖夾板巖具有板巖含量高、埋深大、儲量少的特點。充分利用工程區開挖料,以料定壩,是土石壩設計的基本原則。為此,開展了包括靜動力特性、濕化特性、長期流變等特性的壩料試驗研究工作。本文針對工程區嚴寒(極端低溫-37.2℃)、強紫外線的惡劣工作環境,開展瀝青混凝土配合比試驗[3]和全項性能試驗,針對防滲體系的薄弱環節,采用三維非線性有限元計算軟件,對上水庫大壩各種運行工況進行了三維有限元數值模擬分析,為強震區百米級軟巖筑壩及庫盆防滲系統設計積累了寶貴經驗。

1 工程概況

同德抽水蓄能電站位于青海省海南藏族自治州同德縣河北鄉境內,電站總裝機2 400 MW,額定水頭378 m,安裝8臺300 MW的可逆式水輪發電機組。下水庫利用正在建設的瑪爾擋水電站水庫,正常蓄水位3 275.00 m,死水位3 240.00 m,調節庫容7.06億m3;上水庫為新建水庫,利用黃河右岸岸頂緩坡地形(距瑪爾擋壩址上游約11 km),挖填形成庫盆,正常蓄水位3 665.00 m,死水位3 637.00 m,調節庫容1 765萬m3。樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等組成。工程屬Ⅰ等大(1)型工程,主要建筑物為1級。樞紐平面布置見圖1。

上水庫擋水壩采用瀝青混凝土面板堆石壩,壩頂高程 3 670.00 m,最大壩高112 m(壩軸線處),壩頂長2 052 m,壩頂寬10 m。上游壩坡1∶1.7,下游壩坡1∶1.7～1∶1.8,采用混凝土網格梁+干砌石防護。自上游至下游可分為:墊層區、過渡區、排水區、上游堆石區、下游堆石區、下游護坡、壩后任意料區。其中墊層區、過渡區水平寬度3 m,排水區水平寬度4～6 m。大壩防滲采用瀝青混凝土面板,與庫底土工膜形成全封閉的防滲體系。瀝青混凝土面板采用簡式結構,封閉層厚度2 mm,防滲層厚度10 cm,整平膠結層厚度10 cm。壩后設任意料區,頂高程3 630.00 m,頂寬約154 m,下游坡比為1∶2.5。大壩典型設計斷面見圖2。

圖2 上水庫大壩典型設計斷面 單位:高程,m;其余,cm

工程區地震基本烈度為Ⅶ度,上水庫大壩抗震設防類別為甲類[4],設計地震、校核地震標準分別為基準期100年超越概率2%、100年超越概率1%,相應的基巖水平地震動峰值加速度分別為401gal、493.3gal。參照《建筑物抗震設計規范》[5]和重大工程反應譜的確定原則,確定的基巖水平向設計規準反應譜參數見表1。根據GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》和NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》中5.5.8條規定,確定的標準設計反應譜參數見表2。

表1 場地基巖設計規準反應譜參數

表2 壩址基巖規范目標反應譜參數

根據表1、2得到的場地譜和規范譜比較見圖3,場地譜的動力放大系數總體上大于規范譜,從偏安全角度出發,抗震動力分析采用場地譜進行。

圖3 規范譜和場地譜對比

2 數值計算條件和模型

2.1 模型試驗情況

2.1.1筑壩材料性能試驗

上水庫位于極端低溫(-37.2℃)和強震區(設計地震0.409g、校核地震0.503g)。筑壩材料中,礫巖軟化系數低,砂巖夾板巖具有板巖含量高的特點,筑壩材料具有抗壓強度低、級配寬且變異性大,濕化和流變性明顯等工程特性。為了確保工程安全和大壩料區布設合理,開展了筑壩材料性能試驗,除了常規的比重及相對密度試驗、壓縮試驗、滲透和滲透變形試驗、反濾試驗、靜動力三軸壓縮試驗外,增加了三軸流變和濕化變形特性試驗,試驗的部分成果見表7、8。

2.1.2瀝青混凝土配合比試驗

瀝青混凝土粗細骨料均為新鮮堅硬的石灰巖,填料采用磨制的石灰巖礦粉,瀝青采用遼河SBS改性瀝青,質量滿足規范要求。

(1) 瀝青混凝土防滲層

結合工程經驗,選取最大骨料粒徑16 mm,不同油石比(7.2%、7.5%、7.8%、8.1%)、不同級配指數(0.20、0.25、0.30、0.35)和不同填料含量(11%、13%、15%)組成3組11種配合比共計32個試件,進行瀝青混凝土防滲層配合比試驗。根據試驗結果,從斜坡穩定性、防滲性(馬歇爾試件孔隙率≤2.0%)、變形性能考慮,推薦的防滲層配合比參數見表3。

表3 瀝青混凝土防滲層配合比

(2) 瀝青混凝土整平膠結層

結合工程經驗,選取最大骨料粒徑19 mm,不同油石比(3.5%、4.0%、4.5%、5.0%)、不同級配指數(0.6、0.7、0.8、0.9)和不同填料含量(3%、5%、7%)組成3組11種配合比共計32個試件,進行瀝青混凝土整平膠結層配合比試驗。根據試驗結果,從孔隙率、滲透性考慮,推薦的防滲層配合比參數見表4。

表4 整平膠結層瀝青混凝土配合比

2.1.3防滲接頭型式試驗

土工膜與瀝青混凝土面板連接方式為在兩者之間設一道混凝土連接板,連接板與瀝青混凝土之間采用工程上已經成熟應用的滑動式接頭;連接板與土工膜之間通常采用機械錨固方式連接,采用角鋼、螺栓錨固連接,土工膜與混凝土之間通過設置GB填料墊層來密封止水,土工膜與混凝土錨固連接見圖4。試驗證明,通過對接頭部位的HDPE膜設置一個50 cm2鼓包,HDPE膜與混凝土連接板的錨固連接接頭可以適應沉陷7.2 cm+張開4.2 cm+剪切6.6 cm的位移(接頭三向位移見第4.3節,并考慮2.0的安全系數),并在0.45 MPa的水壓力下保持防滲性能。

圖4 土工膜與混凝土錨固連接

2.2 計算參數

結合三軸試驗結果并參考同類型工程[6-7],瀝青混凝土面板的靜動力模型參數分別見表5、6,壩體各分區采用的靜動力模型計算參數分別見表7、8。

表5 瀝青混凝土本構模型參數

表6 瀝青混凝土動力計算參數

表7 筑壩材料靜力模型計算參數

表8 筑壩材料動力模型計算參數

2.3 施工過程模擬

根據表9所示的施工進度安排,大壩填筑工期為35.5個月,每年12月1日至次年2月15日大壩停止填筑2.5個月,填筑工期為18個月,庫盆防滲施工工期6個月,瀝青面板施工工期3個月,第六年9月底開始下閘蓄水,假定6個月蓄水至正常蓄水位。

表9 大壩填筑歷時時間與填筑高程

表中:ρ為密度,φ0、Δφ為強度指標,nd、cd、Rd為體變參數。

2.4 有限元模型

根據上水庫壩體和庫盆填筑情況,三維有限元網格模型見圖5。三維模型共計節點123 268個,單元128 471個。其中,土工膜為柔性材料,不能承受壓力和彎矩,只能承受拉力,并具有良好的拉伸性能,采用空間無厚度的膜單元進行模擬。瀝青混凝土面板與周圍材料的剛度差異較大,在荷載作用下,兩者接觸面因變形不協調會發生相對位移[8],計算采用接觸摩擦單元模擬。

圖5 三維網格剖分

3 靜力計算成果及分析

3.1 壩體應力變形

竣工期和水位升降期瀝青混凝土面板壩壩體最大沉降分別為46.8 cm和49.7 cm,壩體最大沉降量值約占壩高的0.44%,發生在壩軸線高程3 615.00 m處,沉降率與同類壩相比處于中等偏下水平。受壩基面總體向下游傾斜影響,竣工期壩體以向下游變形為主,下游向水平位移最大值為11.1 cm,水位升降期下游向水平位移最大值增至13.7 cm,上水庫大壩水位升降期變形等值線如圖6所示。

圖6 上水庫大壩水位升降期變形等值線 單位:cm

3.2 瀝青混凝土面板應變與變形

瀝青混凝土面板在壩體填筑完成后一次性碾壓形成,竣工期面板變形和應變很小。水位升降期瀝青混凝土面板撓度最大值為16.0 cm,位于反弧段高程3 636.00 m處,瀝青混凝土面板水位升降期撓度等值線如圖7所示。

圖7 瀝青混凝土面板水位升降期撓度等值線 單位:cm

水位升降期軸向和順坡向壓應變最大值分別為0.04%和0.03%,軸向和順坡向拉應變最大值分別為0.09%和0.10%,瀝青混凝土面板水位升降期應變等值線如圖8所示。壓、拉應變均在瀝青混凝土材料應變允許范圍內(1.0%),瀝青混凝土面板是安全的。

圖8 瀝青混凝土面板水位升降期應變等值線 單位:%

3.3 土工膜應變與變形

水位升降期土工膜最大主拉應變為0.55%,發生填方區挖填分界線邊緣,拉應變在土工膜材料應變允許范圍內(伸長率處于30%～100%),土工膜不會發生拉伸破壞,如圖9所示。土工膜與面板的相對錯動、沉陷和張開最大值分別為2.4、1.7 cm和1.6 cm,相對滑移均較小,土工膜與面板接頭部位變形是安全的。

圖9 水位升降期土工膜主拉應變分布 單位:%

3.4 考慮流變和濕化

壩體變形主要包括加載引起的瞬時壓縮變形和堆石應力釋放、調整和轉移導致的流變變形[9],同時,堆石料在一定應力條件下會浸水濕化[10],發生軟化、棱角破碎、相互滑移、填充,繼而產生體積縮小與剪切變形。假設面板與土工膜連接處發生破損,流變變形、濕化變形采用初應變法計算,計算結果見圖10。蓄水運行5年后大壩變形趨于穩定,壩頂最終沉降29.9 cm,約為壩高的0.27%,壩體沉降最大值由49.7 cm增加至68.2 cm,為壩高的0.61%。考慮流變后與濕化作用后,大壩壩體和防滲體系的應變變形也有較明顯的增大,其中,瀝青面板撓度最大值由16.0 cm增加至26.5 cm,順坡向壓、拉應變最大值分別由0.05%、0.10%增大至0.07%、0.11%;土工膜最大拉應變由0.62%增大至0.75%,土工膜與面板的相對錯動、沉陷和張開最大值分別由2.4、1.7 cm和1.6 cm增加至3.0、2.2 cm和2.0 cm,但防滲體系的安全仍是有保障的。

圖10 上水庫庫1+340.85m剖面和庫1+840.00m剖面壩頂沉降過程線

4 動力計算成果及分析

4.1 壩體動力反應和震陷

根據計算結果,隨著壩高的增加,大壩動力反應越大,壩頂15～20 m壩體的加速度放大系數明顯增加,鞭梢效應顯著。大壩動位移也隨著壩高的增加而增大,最大動位移發生在壩后任意料區頂部。正常蓄水位+校核地震壩體最大震陷量為51.7 cm,震陷比約為0.46%,在土石壩震陷比統計范圍內。

4.2 瀝青混凝土面板應變與變形

正常蓄水位發生校核地震時,靜動應變疊加后,瀝青混凝土面板軸向壓應變和拉應變最大值均為0.25%,順坡向壓應變和拉應變最大值分別為0.14%、0.25%,如圖12所示。壓、拉應變均在瀝青混凝土材料應變允許范圍內(1.0%),地震作用下瀝青混凝土面板是安全的。

圖12 瀝青混凝土面板P100=1%地震工況應變疊加等值線 單位:%

4.3 土工膜應變與變形

校核地震過程中土工膜最大動拉應變為0.30%,震后主拉應變最大值為0.70%,均發生在挖填分界線邊緣,如圖13所示。拉應變安全系數Fab=30%/0.7%=42.9,遠大于規范允許值5.0,地震工況下土工膜是安全的;土工膜與面板的切向錯動、沉陷和張開最大值分別為3.3、3.6 cm和2.1 cm,相對滑移均較小,土工膜與面板接頭部位變形是安全的。

圖13 震后土工膜主拉應變分布 單位:%

在設計和校核地震下,上水庫瀝青混凝土面板堆石壩設計方案總體滿足抗震安全性要求,設計方案是可行的,滿足大壩正常運行和抗震安全性要求。

5 結 論

基于青海同德抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板壩的三維有限元應力變形結果分析,結合壩料試驗、瀝青混凝土配合比試驗和防滲接頭型式科研試驗成果,確定了大壩及庫盆防滲體系設計的合理性。形成結論如下:

(1) 上水庫最大壩高為112 m,壩體的總體的沉降變形在允許范圍內,靜力條件下最大為49.7 cm,約為壩高的0.44%,沉降率與同類壩相比處于中等偏下水平。受壩基面總體向下游傾斜影響,壩體以向下游變形為主,下游向水平位移最大值為13.7 cm。考慮流變與濕化作用時,蓄水運行5 a后大壩變形趨于穩定,壩頂最終沉降29.9 cm,約為壩高的0.27%。

(2) 上水庫擋水壩應力分布規律性較好,應力值較小,應力水平均不超過0.45,各工況下均沒有出現明顯的剪切破壞區,壩體發生剪切破壞的可能性較小。

(3) 靜力條件下瀝青混凝土面板最大壓應變和最大拉應變分別為0.04%、0.10%,土工膜最大主拉應變為0.55%,地震后最大拉壓應變略有增加,遠小于瀝青混凝土和土工膜允許的應變值,應變狀態總體良好,出現拉裂縫的可能性較小。

(4) 地震工況,土工膜與面板接頭的三向變位分別為3.3、3.6 cm和2.1 cm,相對滑移均較小,土工膜與面板接頭部位變形是安全的。

(5) 應力、變形計算及防滲接頭試驗成果說明,大壩在各工況下的變形和受力是安全的,大壩分區合理,瀝青混凝土面板和土工膜應變在材料應變允許范圍內,防滲體系是安全的。