沙千水庫(kù)大壩三維有限元分析及體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴州 遵義 563000)

1 工程概況

沙千水庫(kù)位于貴州省赤水市長(zhǎng)沙鎮(zhèn)長(zhǎng)興村境內(nèi)沙千河中游河段。工程主要任務(wù)為村鎮(zhèn)供水、工業(yè)園區(qū)供水及農(nóng)田灌溉，多年年均供水量1342萬(wàn)m3。水庫(kù)總庫(kù)容642萬(wàn)m3，工程為Ⅳ等小(1)型水庫(kù)。樞紐建筑物主要包括堆石混凝土拱壩、壩頂開敞式溢洪道和取放水建筑物等。

水庫(kù)壩址區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，多年平均氣溫18.0℃，極端最低氣溫為-1.2℃，極端最高氣溫43.2℃。多年平均降水量1228.7mm，多年平均風(fēng)速1.5m/s，實(shí)測(cè)最大日暴雨量142.5mm(1989年)。壩址以橫向“V”形河谷結(jié)構(gòu)為主，巖層產(chǎn)狀：N35°～55°W/SW∠4°～6°，巖層傾上游偏左岸，出露地層為白堊系上統(tǒng)夾關(guān)組上段(K2j1)及第四系地層。左岸436.0m及右岸440.0m高程以上主要以K1j1-2中厚至巨厚層長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，夾粉砂質(zhì)泥、泥巖；左岸436.0m及右岸440.0m高程以下主要以K1j1-1中至厚層為主，夾薄層長(zhǎng)石巖屑砂巖夾石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等。

2 大壩體型參數(shù)及約束條件

2.1 大壩體型參數(shù)

通過(guò)壩型比選，沙千水庫(kù)選定拱壩作為推薦壩型，壩頂高程458.0m，壩底高程392.0m。由于壩址河床段巖層緩傾上游且夾層發(fā)育，其中河床高程以下主要發(fā)育有3條軟弱夾層。為確保設(shè)計(jì)方案具有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合工程地質(zhì)條件初步擬定兩種體型拱壩進(jìn)行分析。

體型①：大壩為重力拱壩，最大壩高66.0m，壩頂寬6.0m，壩底寬25.0m，厚高比0.379；體型②：大壩為中厚拱壩，最大壩高66.0m，壩頂寬6.0m，壩底寬22.0m，厚高比0.333。大壩具體體型參數(shù)見表1～表2。

表1 體型①大壩幾何參數(shù)

表2 體型②大壩幾何參數(shù)

2.2 計(jì)算工況

計(jì)算工況主要考慮以下四種荷載組合[1]，即：?正常蓄水位+溫降；?設(shè)計(jì)洪水位+溫升；?校核洪水位+溫升；?死水位+溫升。

2.3 體型設(shè)計(jì)特征參數(shù)

a.水庫(kù)特征水位及淤沙參數(shù)：校核洪水位456.97m，相應(yīng)下游水位400.53m；設(shè)計(jì)洪水位455.58m，相應(yīng)下游水位399.87m；正常蓄水位452.00m，相應(yīng)下游水位399.58m；死水位425.50m，相應(yīng)下游水位399.58m。淤沙高程421.41m，淤沙內(nèi)摩擦角14°，淤沙浮容重0.8t/m3。

b.壩體及基巖物理參數(shù)[2]：壩體材料為C15堆石混凝土，埋石率為52%，彈性模量為6.5GPa；泊松比為0.20；線膨脹系數(shù)為7×10-6/℃；堆石混凝土重力密度為24.4kN/m3；壩體材料抗剪斷參數(shù)及抗剪參數(shù):f′=0.9，c′=0.6MPa，f=0.50。

c.溫度荷載按照《水工建筑物荷載規(guī)范》(SL 744—2016)中溫度荷載公式[3]：ΔTm=Tm1+Tm2-Tm0；ΔTd=Td1+Td2-Td0進(jìn)行計(jì)算。

2.4 體型設(shè)計(jì)約束條件

沙千水庫(kù)最大壩高66m，屬中壩。根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282—2018)，采用拱梁分載法和有限元法進(jìn)行大壩體型優(yōu)化分析，其壩體應(yīng)力控制約束指標(biāo)[4-5]見表3。

表3 壩體容許應(yīng)力控制約束指標(biāo) 單位：MPa

3 拱壩結(jié)構(gòu)三維有限元分析

3.1 壩體應(yīng)力分析

為確保體型設(shè)計(jì)與工程實(shí)際具有較高匹配性，采用浙江大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的“ADAO”拱壩計(jì)算程序和四川大學(xué) “NASGEWIN” 三維非線性有限元分析程序進(jìn)行計(jì)算[6]，兩種計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律基本一致,但ADAO程序計(jì)算結(jié)果小于三維有限元分析結(jié)果。限于文章篇幅，此處僅列出NASGEWIN程序計(jì)算結(jié)果，即：體型①和體型②上下游壩面主應(yīng)力極值及工況1和工況3條件下下游壩面主應(yīng)力分布結(jié)果，分別見表4～表5和圖1～圖4。

表4 體型①上下游壩面主應(yīng)力極值 單位：MPa

圖1 體型①工況1下游壩面主應(yīng)力分布

圖2 體型①工況3下游壩面主應(yīng)力分布

表5 體型②上下游壩面主應(yīng)力極值 單位：MPa

3.2 壩基(肩)穩(wěn)定性分析

壩基(肩)的超載能力，采用超載法逐級(jí)超載上游水壓力倍數(shù)KP=1.4，2.0，2.4，3.0，3.6，4.0，4.5，5.0等，分析超載情況下大壩壩基(肩)巖體的開裂與壓剪塑性區(qū)發(fā)展演變過(guò)程[7]。結(jié)合超載破壞區(qū)演化規(guī)律可見，沙千大壩破壞機(jī)理是：承受水推力荷載作用最大的中下部高程是壩肩穩(wěn)定性控制高程，392.00～420.00m高程拱端塑性區(qū)在荷載作用下漸進(jìn)發(fā)展，并最終貫通[8]。沙千水庫(kù)壩基(肩)穩(wěn)定性分析安全系數(shù)，見表6。

圖3 體型②工況1下游壩面主應(yīng)力分布

圖4 體型②工況3下游壩面主應(yīng)力分布

表6 壩基(肩)穩(wěn)定性分析安全系數(shù)

3.3 計(jì)算成果分析

綜合兩種體型的計(jì)算結(jié)果可以看到，體型①正常蓄水工況最大順河向變位為壩高的0.455‰，體型②最大順河向變位為壩高的0.523‰，與其他拱壩相比，位移量值適中。從應(yīng)力量值來(lái)看，體型②壩體工況1壩體最大主壓應(yīng)力及工況3和工況4壩體最大主拉壓應(yīng)力均不滿足規(guī)范要求。故經(jīng)兩種體型的比較計(jì)算，體型①更為合理。

體型①采用ADAO程序計(jì)算時(shí)，正常最大壓應(yīng)力為2.41MPa(出現(xiàn)在校核洪水位+溫升工況，拱冠梁下游面)，最大拉應(yīng)力為0.60MPa(出現(xiàn)在校核洪水位+溫升工況，拱冠梁上游面)；采用NASGEWIN進(jìn)行三維有限元分析得最大壓應(yīng)力為3.64MPa(出現(xiàn)在392.7m高程右拱中部)，最大拉應(yīng)力為1.65MPa(出現(xiàn)在447m高程孔口導(dǎo)墻處)。

體型①下游面拱端位移隨超載倍數(shù)變化規(guī)律見圖5～圖6。

圖5 左拱端節(jié)點(diǎn)位移隨超載倍速變化規(guī)律

圖6 右拱端節(jié)點(diǎn)位移隨超載倍速變化規(guī)律

4 拱壩體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

在選定體型①的基礎(chǔ)上，采用浙江大學(xué)ADAO拱壩計(jì)算軟件對(duì)拱壩體型進(jìn)一步優(yōu)化，各計(jì)算工況和基本參數(shù)不變[9]。由于沙千水庫(kù)規(guī)模較小，壩址地形基本對(duì)稱，初步擬定非單圓心體型進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定改善并非特別明顯。為便于施工放樣，優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然在單圓心拱圈基礎(chǔ)上進(jìn)行，擬定另外12種體型進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算成果見表7。

表7 拱壩體型應(yīng)力計(jì)算成果

注1.表中【5R,-5C】表示第6層拱圈，從拱冠梁向左岸數(shù)(無(wú)“-”側(cè)為右數(shù))第5根梁交接點(diǎn)。
2.表中各體型壩頂寬度、最大壩高均不變。
3.壩肩穩(wěn)定結(jié)果較多，本文不再進(jìn)行羅列，上述各體型壩肩穩(wěn)定計(jì)算成果均滿足要求。

從表7中12種體型大壩應(yīng)力對(duì)比分析成果可知：

a.拱冠梁在相同內(nèi)外半徑情況下，隨著壩底寬度的減小，最大的拉壓應(yīng)力值出現(xiàn)一定程度的增大。

b.在壩底寬度相同的情況下，隨著外圓弧半徑的增大，拱壩最大應(yīng)力出現(xiàn)增大趨勢(shì)，且最大應(yīng)力出現(xiàn)位置由拱冠梁底部向1/3壩高處拱端下游面變化。根據(jù)應(yīng)力變化情況得出：圓弧半徑越大，拱壩體型越扁平，一定程度增加了梁的作用，減小了拱的作用，同時(shí)拱端軸向推力角更大，對(duì)壩肩穩(wěn)定是有利的[10]。但當(dāng)圓弧半徑過(guò)大、中心角過(guò)小時(shí)，拱梁分載比率逐漸減小，梁承受荷載迅速增加，同時(shí)拱壩作為剛體整體變形，導(dǎo)致下游面兩壩肩應(yīng)力呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。而當(dāng)圓弧半徑減小到一定程度時(shí)，拱受到的荷載迅速增加，拱端部分應(yīng)力值增大，同時(shí)拱端軸向推力角減小，對(duì)壩肩穩(wěn)定不利。故針對(duì)不同的工程，拱壩體型并非越扁平受力條件越好，也并非越趨于圓越好，而是需要根據(jù)具體地形地質(zhì)條件進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

從優(yōu)化大壩工程量、改善大壩應(yīng)力及壩肩穩(wěn)定等各方面綜合分析，沙千水庫(kù)拱壩最終推薦體型。體型不僅具有體型①應(yīng)力分布均勻、位移量適中等優(yōu)點(diǎn)，且相比體型①，在壩基(肩)滿足穩(wěn)定性要求且最大拉壓應(yīng)力接近的情況下，其壩體方量節(jié)省約8300m3，節(jié)省了投資。拱壩體型也由重力拱壩優(yōu)化為中厚拱壩，應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到進(jìn)一步改善。

5 結(jié) 論

沙千水庫(kù)拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，為獲得與工程地形、地質(zhì)條件相匹配的壩體體型，結(jié)合《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282—2018)要求，采用浙江大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的“ADAO”拱壩計(jì)算程序和四川大學(xué) “NASGEWIN”三維非線性有限元分析程序，對(duì)壩體應(yīng)力、壩基(肩)穩(wěn)定性和拱壩體型等進(jìn)行了詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

a.壩體應(yīng)力ADAO與NASGEWIN三維非線性有限元計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律基本一致，但ADAO要小于三維有限元分析結(jié)果。

b.形變位移量、最大主拉(壓)應(yīng)力等計(jì)算結(jié)果表明：重力拱壩體型①相比中厚拱壩體型②位移量值適中，應(yīng)力分布均勻，體型更為合理。

c.基于重力拱壩體型①，經(jīng)ADAO程序?qū)皦误w型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)選另外12種體型有小面積漬水，但并不形成對(duì)電氣設(shè)備的威脅。至2019年3月，該滲漏水情況并未擴(kuò)大。