靜力特征的面板堆石壩設(shè)計(jì)方案研究
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摘要：混凝土面板堆石壩具有安全性、經(jīng)濟(jì)性以及地形條件適應(yīng)性方面的突出優(yōu)勢(shì)，是水利工程建設(shè)領(lǐng)域的首選壩型。文章以和尚溝水電站為例，通過(guò)有限元仿真計(jì)算，對(duì)兩種不同的面板堆石壩設(shè)計(jì)形式進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示，鑲嵌混凝土面板堆石壩的沉降幅度大幅減小，順坡向應(yīng)力和撓度均有顯著改善，建議在大壩設(shè)計(jì)時(shí)采用。
關(guān)鍵詞：靜力數(shù)值分析；面板堆石壩；和尚溝水電站
1工程背景
擬建中的和尚溝水電站位于遼寧丹東鳳城市石城鎮(zhèn)境內(nèi)的愛(ài)河上游干流上，是愛(ài)河梯級(jí)開(kāi)發(fā)的重要規(guī)劃工程，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪和養(yǎng)殖等綜合功能的小型徑流式水電站。趙家堡子水電站工程主要由面板堆石壩、溢流壩、引水系統(tǒng)和電站廠房構(gòu)成，項(xiàng)目所在地區(qū)屬于長(zhǎng)白山系，區(qū)內(nèi)山脈多南北走向，由于受到鴨綠江水系的強(qiáng)烈侵蝕作用，呈現(xiàn)出群峰聳立、山高谷深的地貌景觀。從地層巖性來(lái)看，基底埋藏較深，沉積蓋層主要是泥盆紀(jì)、三疊紀(jì)至下第三系地層，主要由海相碳酸鹽和淺海、濱海碎屑巖構(gòu)成?？傮w來(lái)看，項(xiàng)目區(qū)的地貌以高山峽谷地貌為主，輔以部分溶蝕地貌，為典型的峽谷性水庫(kù)?；炷撩姘宥咽瘔卧诮ㄔO(shè)與運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)力特征是大壩設(shè)計(jì)中必須要考慮的問(wèn)題[1]。為了有效控制面板堆石壩的堆石體變形，提高其穩(wěn)定性，對(duì)面板堆石壩的體型設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，探究不同體型堆石壩的應(yīng)力變形規(guī)律，具有重要的理論和實(shí)踐意義。
2有限元模型的構(gòu)建
2.1計(jì)算方案
針對(duì)和尚溝水電站的工程實(shí)際，擬定鑲嵌面板堆石壩和普通面板堆石壩兩種不同方案進(jìn)行對(duì)比研究[2]。其中，方案一為鑲嵌面板堆石壩，設(shè)計(jì)壩高為150.0m，壩頂寬為10.0m，上游壩坡的坡比為1∶1.4，在大壩的上游壩踵部位設(shè)置高度為60.0m，頂寬10.0m的C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鑲嵌混凝土面板的長(zhǎng)度為130.77m，頂部和底部的最大計(jì)算厚度分別為0.4m和0.7m，面板采用標(biāo)號(hào)C30混凝土澆筑；方案二為普通面板堆石壩，混凝土面板的斜面長(zhǎng)度為234.10m，底部最大計(jì)算厚度為0.85m，其余參數(shù)與方案一相同。
2.2計(jì)算模型
利用設(shè)計(jì)的面板堆石壩的標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行ABAQUS有限元模型構(gòu)建，以沿河方向?yàn)閄軸，指向下游的方向?yàn)檎较?；以鉛直方向?yàn)閅軸方向，以向上的方向?yàn)檎较騕3]。結(jié)合相關(guān)研究成果，模型的建模范圍為大壩地基向上下游與深度方向各延伸1.0倍壩高[4]。在模型建模范圍確定之后，以平面三角形單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分[5]。其中，方案一最終獲得4123個(gè)計(jì)算單元，2346個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)；方案二共得到3987個(gè)計(jì)算單元，2268個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。
2.3計(jì)算參數(shù)
研究過(guò)程中，對(duì)大壩堆石體所用的材料采用鄧肯-張E-B非線性模型，其主要參數(shù)見(jiàn)表1[6]。大壩其余部位的材料在模型計(jì)算中均按照線性材料處理，其中大壩面板與壩趾的混凝土參數(shù)依照工程設(shè)計(jì)取值，基巖參數(shù)依照同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)取值，結(jié)果見(jiàn)表2[7]。計(jì)算過(guò)程中，在壩體施工與蓄水期采取22級(jí)逐級(jí)加載的方式進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算模型的大壩基巖底面設(shè)置固端約束，在模型的X軸方向設(shè)置簡(jiǎn)支處理，壩踵混凝土結(jié)構(gòu)和基巖按照整體進(jìn)行考慮[8]。
3計(jì)算結(jié)果分析
3.1方案一計(jì)算結(jié)果分析
3.1.1竣工期計(jì)算結(jié)果分析
利用上節(jié)構(gòu)建的計(jì)算模型，對(duì)方案一竣工期條件下大壩的位移進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可知：竣工期大壩在水平位移方面呈現(xiàn)出上游部分向上游平移，下游部分向下游平移的規(guī)律。其中，上游向的水平位移最大值為2.88cm，位于約1/4壩高的壩體上游部位，而下游向的最大位移值是11.26cm，位于約1/3壩高的壩體下游部位。從豎向位移來(lái)看，竣工期大壩壩體的豎向位移最大值為70.42cm，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對(duì)方案一條件下竣工期大壩的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，大壩竣工期的最大和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢(shì)。其中，最大主應(yīng)力全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值為2.55MPa，位于大壩堆石體的底部；最小主壓應(yīng)力為0.52MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應(yīng)力值為0.07MPa，出現(xiàn)的部位是大壩下游面接近壩頂?shù)奈恢谩?/p>
3.1.2蓄水期計(jì)算結(jié)果分析
利用計(jì)算模型，對(duì)方案一條件下蓄水期大壩的位移進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可知：與竣工期不同，蓄水期大壩在水平位移方面均呈現(xiàn)出向下游平移的規(guī)律。其水平位移最大值為27.43cm，位于約1/2壩高的壩體上游部位。從豎向位移來(lái)看，蓄水期大壩壩體的豎向位移最大值為72.70cm，出現(xiàn)部位與竣工期相同，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對(duì)方案一蓄水期條件下大壩應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，大壩竣工期的最大和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢(shì)。其中，最大主應(yīng)力全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值為2.69MPa，位于大壩堆石體的底部；最小主壓應(yīng)力為0.59MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應(yīng)力值為0.39MPa，出現(xiàn)的部位是重蓋區(qū)頂部。
3.1.3面板應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析
對(duì)方案一條件下大壩混凝土面板撓度與應(yīng)力值進(jìn)行模型計(jì)算，結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可知，面板的主應(yīng)力表現(xiàn)為順坡向應(yīng)力，其中壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在面板斜長(zhǎng)1/3的部位，為2.79MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在面板的底部，為0.11MPa；混凝土面板的撓度為19.36cm，出現(xiàn)的部位是混凝土面板斜長(zhǎng)的1/3處。
3.2方案二計(jì)算結(jié)果分析
3.2.1竣工期計(jì)算結(jié)果分析
利用的計(jì)算模型對(duì)方案二竣工期條件下大壩的位移進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可知：竣工期大壩在水平位移方面呈現(xiàn)出上游部分向上游平移，下游部分向下游平移的規(guī)律。其中，上游向的水平位移最大值為13.02cm，位于約1/3壩高的壩體上游部位，而下游向的最大位移值是10.01cm，位于約1/3壩高的壩體下游部位。從豎向位移來(lái)看，竣工期大壩壩體的豎向位移最大值為83.62cm，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對(duì)方案二條件下竣工期大壩的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，大壩竣工期的最大和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢(shì)。其中，最大主應(yīng)力全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值為2.51MPa，位于大壩堆石體的底部；最小主壓應(yīng)力為0.51MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應(yīng)力值為0.08MPa，出現(xiàn)的部位是大壩下游面接近壩頂?shù)奈恢谩?/p>
3.2.2蓄水期計(jì)算結(jié)果分析
利用計(jì)算模型，對(duì)方案二條件下蓄水期大壩的位移進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可知：與竣工期不同，蓄水期大壩在水平位移方面均呈現(xiàn)出向下游平移的規(guī)律。其水平位移最大值為35.58cm，位于約1/2壩高的壩體上游部位。從豎向位移來(lái)看，蓄水期大壩壩體的豎向位移最大值為74.76cm，出現(xiàn)部位與竣工期相同，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對(duì)方案二蓄水期條件下大壩應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，大壩竣工期的最大和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢(shì)。其中，最大主應(yīng)力全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值為2.69MPa，位于大壩堆石體的底部：最小主壓應(yīng)力為0.55MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應(yīng)力值為0.30MPa，出現(xiàn)的部位是重蓋區(qū)頂部。
3.2.3面板應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析
對(duì)方案一條件下大壩混凝土面板撓度與應(yīng)力值進(jìn)行模型計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，面板的主應(yīng)力表現(xiàn)為順坡向應(yīng)力，其中壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在面板斜長(zhǎng)2/3的部位，為6.24MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在面板的底部，為3.51MPa：混凝土面板的撓度為38.26cm，出現(xiàn)的部位是混凝土面板斜長(zhǎng)的1/2處。
4方案的對(duì)比與選擇
對(duì)兩種不同設(shè)計(jì)方案下的面板堆石壩的應(yīng)力變形結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果。由表中的結(jié)果可知，兩種方案相比，無(wú)論是竣工期和蓄水期，大壩主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果比較接近，但是在方案一的條件下，大壩的沉降幅度大幅減小。對(duì)面板應(yīng)力變形的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果。采用方案一，也就是鑲嵌混凝土面板堆石壩壩型時(shí)，大壩面板的順坡向應(yīng)力和撓度均有顯著改善。結(jié)合上述分析，建議在大壩設(shè)計(jì)時(shí)采用鑲嵌混凝土堆石壩。
5結(jié)語(yǔ)
混凝土面板堆石壩以其安全性、經(jīng)濟(jì)性以及地形條件適應(yīng)性方面的突出優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前水利工程建設(shè)領(lǐng)域的首選壩型。對(duì)混凝土堆石壩而言，現(xiàn)有的動(dòng)力計(jì)算方法雖然可以對(duì)靜力反應(yīng)特征進(jìn)行準(zhǔn)確反應(yīng)，但是針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的堆石壩的靜力反應(yīng)規(guī)律研究仍不完善。文章以遼寧省丹東愛(ài)河干流上擬建的和尚溝水電站為例，設(shè)計(jì)了常規(guī)面板堆石壩和鑲嵌混凝土面板堆石壩兩種壩型，通過(guò)有限元仿真計(jì)算，對(duì)兩種壩型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示，鑲嵌混凝土面板堆石壩面板的大壩的沉降幅度大幅減小，順坡向應(yīng)力和撓度均有顯著改善，建議在大壩設(shè)計(jì)時(shí)采用鑲嵌混凝土堆石壩。同時(shí)本文研究結(jié)論也顯示，鑲嵌混凝土面板堆石壩在施工期和蓄水期具有較高的整體穩(wěn)定性和安全性，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值，對(duì)水利工程中的面板堆石壩設(shè)計(jì)建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
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作者：齊兆東 單位：阜新蒙古族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心