混凝土高拱壩直線型河道庫盤變形規(guī)律分析

陳 晨 王文芬 陳平龍

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇省徐州市水務(wù)局,江蘇 徐州 221000)

混凝土高拱壩直線型河道庫盤變形規(guī)律分析

陳 晨1王文芬1陳平龍2

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇省徐州市水務(wù)局,江蘇 徐州 221000)

常規(guī)的研究發(fā)現(xiàn)，高拱壩高壩大庫所產(chǎn)生的庫盤變形影響是必然存在的，由于其變形規(guī)律的不明確性，有必要對高壩大庫的庫盤變形規(guī)律進(jìn)行研究。本文僅考慮庫盤變形的彈性部分，利用線彈性有限元方法，建立高拱壩大范圍直線型河道庫盤有限元模型，通過數(shù)值分析方法研究直線型河道庫盤變形規(guī)律，并確定合理的庫盤建模范圍，在此后實(shí)際工程的壩體變形分析中，為全面考慮庫盤變形對壩體變形性態(tài)的影響奠定了基礎(chǔ)，確保能夠有效地監(jiān)控大壩的安全運(yùn)行。

高拱壩；庫盤；直線型河道；變形規(guī)律

新中國成立以來，我國的拱壩建設(shè)發(fā)展引人矚目。當(dāng)前，拱壩建設(shè)迎來了新的高峰期，一批300m級的超高混凝土拱壩在西南地區(qū)已建或在建，如：240m的二灘(庫容58億m3)、294.5m的小灣(庫容150億m3)、278m的溪洛渡(庫容128億m3)、289m的白鶴灘(庫容206億m3)以及305m的錦屏一級(庫容78億m3)。實(shí)際工程中，技術(shù)人員往往發(fā)現(xiàn)壩體變形的數(shù)值計(jì)算成果與監(jiān)測數(shù)據(jù)存在很大差異；也有一些工程在蓄水階段的監(jiān)測資料表明，在庫水位、溫度和庫盤變形以及壩體特定結(jié)構(gòu)的作用下，壩體有向上游傾倒的變形現(xiàn)象。隨著拱壩高度的不斷提升，高壩大庫工程所特有的庫盤變形問題則愈來愈不能忽視。因此，引入了庫盤變形概念，探討庫盤變形對高拱壩的破壞與安全問題。庫盤變形是由上游巨大水體的自重引起的，它造成壩基向上游轉(zhuǎn)動，使壩體產(chǎn)生向上游的傾倒變形。目前，高拱壩工程的設(shè)計(jì)、計(jì)算及監(jiān)測方面的研究工作只局限于近壩范圍內(nèi)，而遠(yuǎn)壩區(qū)庫盤的變形往往被忽略。對高拱壩而言，高壩大庫所產(chǎn)生的庫盤變形問題是客觀存在的，而其對拱壩變形產(chǎn)生的影響是不明確的，因此，有必要對庫盤變形問題進(jìn)行研究，以便全面地認(rèn)識高壩大庫所引起的庫盤變形問題，進(jìn)一步分析其對高拱壩變形的影響，科學(xué)有效地指導(dǎo)高拱壩設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行工作。

目前國內(nèi)外對庫盤變形的影響監(jiān)測和分析較少，國內(nèi)僅有極少數(shù)工程開展了庫盤變形的監(jiān)測工作[1-2]；顧沖時(shí)、吳中如[3-4]提出了考慮庫盤作用下，壩體、壩基和庫盤參數(shù)反演的確定性模型方法，探討了混凝土壩空間位移場的正反分析模型；熬麟[5]探討了重力壩有限元分析中應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件的考慮方法；黃耀英等[6-7]將水庫地基簡化為半無限體，推導(dǎo)了地基的位移和應(yīng)力，研究了模型合理的建模范圍與邊界約束方式。

直線型河道是目前較為簡單的庫盤形式，我國最著名的三峽大壩就屬于近似的直線型河道庫盤，還有白山水電站攔河壩、東風(fēng)水電站大壩、青銅峽大壩、鹽鍋峽水電站大壩等都屬于近似的直線型河道庫盤，本文以高拱壩為例研究直線型河道庫盤變形對壩體變形的影響。

1 直線型河道庫盤模型的建立

在各種荷載的長期作用下，高拱壩庫盤的變形可以分成彈性變形和塑性變形兩部分。隨著庫水位周期性的漲落，庫盤的變形也隨之變化：庫水位越高，庫盤所承受的水體自重越大，其相應(yīng)的變形也越大，這是庫盤變形的彈性部分。而在庫水的長期作用下，庫盤巖體的裂隙、節(jié)理和其他軟弱構(gòu)造將發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，稱為時(shí)效變形。就宏觀來說，該項(xiàng)變形的特點(diǎn)是在蓄水初期變化急劇，而后隨著時(shí)間的推移而逐漸趨于穩(wěn)定。本文僅考慮庫盤的彈性變形部分，利用線彈性有限元方法，建立一高拱壩直線型河道大范圍庫盤有限元模型，通過數(shù)值模擬分析方法確定合理的大庫盤有限元模型范圍，為了研究直線型河道庫盤變形規(guī)律，首先建立高拱壩直線型河道庫盤大范圍模型。

1.1 有限元計(jì)算模型的范圍

上游方向取30km，下游方向取10km，左右壩肩各取10km，壩基礎(chǔ)深度取10km，壩高300m。有限元節(jié)點(diǎn)布置時(shí)，盡可能將變形測點(diǎn)安排在節(jié)點(diǎn)上。

1.2 模型中坐標(biāo)系的選取

X軸垂直于拱壩中心線，指向左岸為正；Y軸平行于拱壩中心線，指向上游為正；Z軸以豎直向上方向?yàn)檎?。直線型河道庫盤有限元模型主要采用六面體八節(jié)點(diǎn)等參單元，部分區(qū)域采用五面體六節(jié)點(diǎn)等參單元。庫盤模型共有146797個單元、155640個節(jié)點(diǎn)。直線型河道庫盤有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 直線型河道庫盤整體及近壩區(qū)有限元網(wǎng)格

1.3 邊界條件

庫盤模型底部邊界施加完全位移約束；庫盤上下游側(cè)邊界施加順河向鏈桿約束；庫盤左右岸邊界施加橫河向鏈桿約束。

1.4 力學(xué)參數(shù)

庫盤基礎(chǔ)變形模量、密度隨深度逐漸增大，泊松比逐漸減小，其中地基密度2500～2700kg/m3(1km→10km)、泊松比0.23～0.2(1km→10km)、變形模量12.5～50GPa(1km→10km)。

2 特征點(diǎn)的選取

選取拱冠梁壩踵、壩趾沉降位移，拱冠梁壩頂上游側(cè)向上游位移，距壩上游約100m、500m和距壩下游約200m的沉降位移6個典型點(diǎn)的計(jì)算位移值來研究直線型河道庫盤變形變化規(guī)律，沉降量取向下沉降為正，壩頂位移取向上游位移為正。典型點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 拐彎型河道典型點(diǎn)位置示意圖

3 庫盤模型范圍對庫盤變形規(guī)律影響分析

庫盤變形受到庫盤范圍的影響，其中庫盤的范圍包括庫盤的寬度、深度及長度等。為了充分反映庫盤范圍引起的對庫盤變形的影響，重點(diǎn)研究庫盤的寬度、深度及長度引起的對庫盤變形的影響，同時(shí)考慮庫盤往下游延伸不同長度情況下對庫盤變形的影響。

3.1 庫盤模型上游河道長度對庫盤變形的影響

為研究庫盤模型不同上游河道長度作用下的庫盤變形變化規(guī)律，在庫盤有限元模型計(jì)算中，假定庫盤模型上游河道長度改變，其他因素不變，據(jù)此開展研究。

直線型河道庫盤模型計(jì)算：下游河道取10km、左右岸寬度取10km、地基深度取10km、壩前水深295m固定不變；上游方向5～30km每遞增5km計(jì)算一次，共6組數(shù)據(jù)。

庫盤模型在選取不同的上游建模范圍時(shí)，特征點(diǎn)位移計(jì)算值見下表和圖3。

直線型河道庫盤模型不同上游河道長度下典型點(diǎn)位移表 單位：mm

圖3 直線型河道庫盤模型不同上游河道長度下典型點(diǎn)位移

以研究庫盤模型不同上游河道作用下的庫盤變形規(guī)律為例，采用相同的方法研究不同下游河道長度、左右岸寬度及地基深度對庫盤變形的影響。經(jīng)計(jì)算得到直線型河道庫盤模型不同的下游河道長度、左右岸寬度及地基深度范圍各特征點(diǎn)位移。運(yùn)用Marc計(jì)算得到直線型河道庫盤最大范圍有限元模型沉降位移等值云圖，地基深度1km、10km壩體上游順河向位移等值云圖，如圖4～圖5所示。

圖4 直線型河道模型遠(yuǎn)、近壩區(qū)有限元模型沉降位移等值云圖(豎直向上為正)

圖5 直線型河道模型地基深度為1km、10km時(shí)壩體上游順河向位移等值云圖

4 結(jié) 論

通過上述計(jì)算可以得到該混凝土高拱壩直線型河道庫盤如下變形規(guī)律：

a.由上頁表可知，隨著庫盤模型上游范圍的增加，特征點(diǎn)沉降逐漸增大，收斂很快；拱冠梁向上游位移值增大，收斂速度稍慢。當(dāng)以|(δi+1-δi)/δi|≤0.05作為收斂判據(jù)，可以判斷庫盤模型上游模擬至少達(dá)到10km時(shí)，特征點(diǎn)位移值收斂。

b.隨著庫盤模型下游建模范圍的擴(kuò)大，特征點(diǎn)沉降量增加并且逐漸收斂，拱冠梁向上游位移值增大，逐漸收斂。當(dāng)直線型河道庫盤下游河道長度達(dá)到3km時(shí)特征點(diǎn)位移值收斂。

c.隨著庫盤模型左右岸建模范圍的擴(kuò)大，特征點(diǎn)沉降量增加并且逐漸收斂，拱冠梁向上游位移值增大，收斂速度稍慢。直線型河道庫盤模型左右岸建模范圍達(dá)到3km時(shí)位移值收斂。

d.隨著庫盤模型地基深度的增加，特征點(diǎn)沉降量顯著增加，最終變形趨于收斂。壩體最大順河向變形由1/4拱梁壩頂向拱冠梁壩頂轉(zhuǎn)移。直線型河道庫盤模型深度的建模范圍取9km時(shí)典型點(diǎn)位移計(jì)算達(dá)到收斂。

由此可以確定本文所模擬的高拱壩直線型河道庫盤模型的合理建模范圍，壩體向上游河道延伸10km，向下游河道延伸3km，左右岸寬度3km，地基深度9km。本文利用有限元方法，建立高拱壩直線型河道庫盤有限元模型，通過數(shù)值分析方法分析庫盤的變形規(guī)律并確立合理的庫盤有限元模型范圍，為此后研究庫盤變形對大壩變形性態(tài)影響分析奠定了基礎(chǔ)。

[1] 吳中如，顧沖時(shí).大壩原型反分析及其應(yīng)用[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1999：7-21，99-106.

[2] 鄭東健，劉廣勝，顧沖時(shí).大壩水平位移監(jiān)控指標(biāo)擬定的混合法[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2002，26(2)：42-44.

[3] 顧沖時(shí)，吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應(yīng)用[M].南京：河海大學(xué)出版社，2006：182-187.

[4] 顧沖時(shí)，吳中如.壩體、壩基和庫盤變模的整體反演分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1996(3):43-48.

[5] 熬麟.用有限單元法計(jì)算重力壩時(shí)關(guān)于地基邊界條件的探討[J].水力學(xué)報(bào)，1981(4):18-29.

[6] 黃耀英，王潤富，吳中如.無限均布壓力作用下彈性地基的應(yīng)力和位移[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35(5)：518-523.

[7] 黃耀英，沈振中，吳中如，等.混凝土壩及壩基分析中截取邊界的影響[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2007(4):9-13.

Analysis on deformation law of concrete high arch dam linear river channel base plate

CHEN Chen1, WANG Wenfen1, CHEN Pinglong2

(1.JiangsuArchitectureVocationalandTechnicalCollege,Xuzhou221116,China;

2.JiangsuXuzhouWaterAuthority,Xuzhou221000,China)

Regular study discovers that base plate deformation influence produced by high arch dam high-dam reservoir is inevitable. It is necessary to study the base plate deformation law of high-dam reservoir because of the uncertainty of the deformation law. In the paper, only elastic part of base plate deformation is considered, and linear elastic finite element method is utilized for establishing high arch dam wide range linear river channel base plate finite element model. The deformation law of linear river channel base plate is studied through numerical analysis method. Rational base plate modeling scope is determined, thereby laying foundation for comprehensively considering the influence of base plate deformation on dam deformation behavior in dam deformation analysis of practical project in the future, and ensuring effective monitoring of dam safe operation.

high arch dam; base plate; linear river channel; deformation law

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.10.017

TV642.4

A

1673-8241(2015)10-0057-04