高昌區塔爾朗水庫大壩穩定分析研究

2024-03-07 02:14:12曹凱

海河水利 2024年2期

曹凱

（吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司，新疆吐魯番 838000）

1 工程概況

高昌區塔爾朗水庫位于高昌區北西部塔爾朗河中下游峽谷區河段，是一座具有工業供水和農業灌溉功能的綜合性水利樞紐工程。水庫正常蓄水位1 168.00 m，相應庫容2 325 萬m3，校核洪水位1 170.46 m，相應庫容2 534 萬m3，最大壩高71 m。本工程為Ⅲ等中型工程，土石壩級別為2級，永久建筑物導流兼放空沖沙洞、溢洪洞和灌溉洞級別為3級。因洪水標準不因建筑物提級而提高，故水庫大壩取50 a 一遇洪水為設計標準，取1 000 a 一遇洪水為校核標準。

2 工程地質條件

大壩基礎河床堆積為巨厚的現代河床沉積的砂卵礫層夾漂石，最大厚度達99.5 m，結構較松散～密實，為中等～強透水層，存在壩基滲漏問題；兩岸及河床下伏基巖上部為中等～弱透水層，其相對不透水層（q＜5 Lu）埋深左岸28.3～41.3 m、右岸42.0～50.8 m、河床34.7～106.5 m。兩岸地下水埋藏較深，左、右岸蓄水位處埋深分別約41.9、46.1 m。為此，需做好基巖內的防滲，其防滲帷幕可考慮與相對不透水層（q＜5 Lu）封閉，則左、右兩岸繞壩滲漏長分別約87、93 m[1]。

3 大壩變形、應力及抗震有限元分析

3.1 土石壩三維有限元計算模型和主要參數

3.1.1 計算模型

本文計算模型分為靜力本構模型和動力本構模型。靜力本構模型中，筑壩堆石料是非線性材料，其引起壩體變形因素為荷載的大小及加荷的應力路徑，應力應變關系會呈現出明顯的非線性特性。通過三軸試驗研究結果可以看出，鄧肯-張E-B 模型公式對壩料應力和應變非線性特性能較好的反映。動力本構模型中，振動碾壓堆石壩在地震過程中主要表現為振縮特性，加強了抵御地震破壞的能力，同時密實的壩體地震反應更為劇烈，大壩特別是壩頂的加速度反應更大，鞭梢效應更強，大壩局部抗震設計措施必須得到加強。粗粒料的動力性質研究成果較為豐富，計算采用振動硬化模型，該模型可反映粗粒料振動硬化對大壩抗震的不利影響[2]。

3.1.2 計算條件

大壩的三維有限元計算共分23級，其中第1～5級為覆蓋層，第6～20 級為大壩壩體全斷面每填筑1～7 m厚度為1級，高程范圍為1 095.5 ～1 172.0 m，第21 級為壩體蓄水至死水位1 136.0 m，第22 級為壩體蓄水至1 150.0 m，第23級為壩體蓄水至正常蓄水位1 168.0 m，通過23級加載過程來模擬整個壩體加載及蓄水過程。

3.1.3 計算參數

（1）靜力參數。靜力計算采用E-B 模型，各參數詳見表1。

表1 壩料E-B模型計算參數

（2）動力參數。塔爾朗水庫瀝青心墻壩壩料動力參數，通過類比已有土石壩壩料試驗結果，綜合考慮壩料的設計干密度、母巖巖性等情況最終確定，詳見表2。

表2 壩料動力計算參數

3.1.4 計算網格剖分

大壩采用三維自動剖分程序剖分壩體單元，以河床典型剖面為基準，沿壩軸線方向共設定43個計算剖面，對各壩段自左岸至右岸進行了編號。塔爾朗水庫整個壩體共剖分10 792個總節點數、10 367個總單元數，其中有728個心墻單元和75個防滲墻單元[3]。

3.2 壩體靜力非線性有限元計算成果分析

本計算主要利用三維非線性有限元分析方法，對大壩的應力與變形進行計算分析。

3.2.1 壩體變形

竣工工況和正常蓄水位工況下的壩體變形，如圖1—2所示。

圖1 竣工工況下大壩橫斷面位移

從圖1 可以看出，在竣工工況下，壩體主要因為筑壩料的泊松效應，使得斷面上下游方向水平位移分別指向上下游，上游及下游最大位移分別為16.8、11.5 cm，分別位于上游高程1 120.00 m附近及下游高程1 100.00 m 附近，分布較為規律；最大豎向位移為58.4 cm，發生在高程1 130.00 m 附近的中心區域，占壩高的0.82%。從圖2 可以看出，在正常蓄水位工況下，壩體主要因為水力作用，促使壩體上下游水平向位移整體向下游偏移，指向上游及指向下游的的最大位移分別為11.5、35.1 cm，發生在高程1 120.00 m 附近位置，最大豎向位移為62.6 cm，發生在高程1 135.00 m 附近的偏上游壩中心區域，占壩高的0.88%。

圖2 正常蓄水位工況下大壩橫斷面位移

3.2.2 壩體應力

竣工工況和正常蓄水位工況下的壩體應力，如圖3—4所示。

圖3 竣工工況下大壩橫斷面第一及第三主應力

從圖3 可以看出，在竣工工況下，壩體第一與第三主應力最大值分別為1.32、0.38 MPa，均發生在壩體與基座接觸部位，存在壩體主應力與壩坡基本平行且從壩頂向壩基呈現逐漸加大的趨勢特點。從圖4 可以看出，在正常蓄水位工況下，壩體主應力分布規律及趨勢特點與竣工工況下基本相似，大、小主應力的位置也基本相同，但極值有所增大，第一與第三主應力最大值分別為1.48、0.56 MPa；由于水荷載的作用，壩體內部心墻、地基防滲墻共同組成的防滲體的上、下游側的應力存在不連續現象[3]。

圖4 正常蓄水位工況下大壩橫斷面第一及第三主應力

3.2.3 壩體剪應力水平

竣工工況和正常蓄水工況下壩體剪應力水平，如圖5所示。

圖5 竣工工況和正常蓄水位工況下大壩橫斷面動剪應力

從圖5 可以看出，在壩體竣工期，最大剪應力發生在上、下游過渡料和心墻結合處，最大值為0.49，上下游分布近似對稱；而正常蓄水工況下由于水荷載的作用，最大剪應力發生在上游過渡料區與心墻結合處，最大值為0.84，但未發生剪切破壞。

3.3 壩體動力非線性有限元計算成果分析

查閱《中國地震動參數區劃圖》，可確定塔爾朗水庫場地特征周期Tg=0.40 s。根據《水電工程水工建筑物抗震設計規范》，塔爾朗水庫工程設計反應譜的平臺最大值βmax=1.60，最小值βmin=0.478，大于βmax的20%，已經滿足規范要求。查閱《中國地震動參數區劃圖》和根據地質報告可確定塔爾朗水庫地震峰值加速度為0.20 g，因此本計算過程中以0.20 g 的地震峰值加速度作為設計地震波。

采用SIMQKE-GR 程序生成規范譜與地震波，大壩水平向（順河向和壩軸向）地震動峰值加速度時程曲線的生成結果如圖6所示。

圖6 大壩水平向（順河向和壩軸向）地震動峰值加速度時程曲線

其中，設計地震規范波作用下大壩水平向地震動峰值加速度為2.0 m/s2，豎向地震動峰值加速度取水平向地震動峰值加速度的2/3，即1.33 m/s2。

具體計算結果，詳見表3。

表3 不同工況下大壩動力反應及永久變形計算結果

3.3.1 壩體動力反應

塔爾朗水庫在設計地震規范波作用下壩體動力反應，如圖7—9所示。

圖7 塔爾朗水庫在設計地震規范波作用下壩體加速度反應極值

從圖7 可以看出，在設計地震規范波作用下，大壩3個方向的加速度反應極值基本于壩體保持對稱分布，最大值均發生在壩頂部位，其中順河向地震動峰值加速度最大反應值為565 g，放大倍數為2.83倍；豎直向地震動峰值加速度最大反應值為360 g，放大倍數為1.80倍；壩軸向地震動峰值加速度最大反應值為389 g，放大倍數為1.95倍。從圖8可以看出，壩頂振幅相對較大，最大達7.74 cm。從圖9可以看出，Txy方向的動剪應力在壩體心墻與過渡料相接區約1 127.0 m高程出現峰值，最大動剪應力為139 kPa；在心墻與反濾料相接區域，Txz方向的動剪應力較大，最大動剪應力為124 kPa；Tyz方向的動剪應力極值主要存在于下游壩殼料區中上部，最大動剪應力為107 kPa[4]。

圖8 塔爾朗水庫在設計地震規范波作用下壩體最大振幅

圖9 塔爾朗水庫在設計地震規范波作用下壩體動剪應力極值分布

3.3.2 震后永久變形

塔爾朗水庫在設計地震規范波作用下壩體震后永久變形，如圖10所示。

圖10 塔爾朗水庫在設計地震規范波作用下壩體震后永久變形

從圖10 可以看出，在設計地震規范波作用下，壩體順河向的永久變形基本指向下游，最大值為3.7 cm，出現在河床最大剖面；豎直向永久變形最大值為11.6 cm，位于最大剖面的壩頂；壩軸向永久變形為兩岸向河谷內發展，基本呈對稱趨勢分布，最大值左岸指向右岸為1.57 cm、右岸指向左岸為1.45 cm[5]。