毛藏寺電站混凝面板堆石壩三維有限元分析

李富忠，司才龍

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

毛藏寺水電站樞紐工程位于甘肅省天祝藏族自治縣毛藏鄉(xiāng)境內(nèi)的大、小毛藏河交匯口下游約380m處，為雜木河上游控制性梯級(jí)電站。電站由擋水、泄洪消能、引水發(fā)電等建筑物組成。水庫(kù)總庫(kù)容為4183萬(wàn)m3，電站裝機(jī)52MW。擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程2664.8m，最大壩高88.8m，壩頂長(zhǎng)217.39m，壩體底部順?biāo)鞣较蜃畲箝L(zhǎng)度227.3m，是在高寒地區(qū)建設(shè)的一座面板堆石壩。

鑒于面板堆石壩結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和重要性，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，取得了豐富的成果[1- 8]。本文依托毛藏寺水電站擋水工程，利用三維有限元模型，對(duì)壩體應(yīng)力、位移等方面進(jìn)行了有限元計(jì)算。采用Duncan E-B非線性模型對(duì)毛藏寺蓄能電站混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了三維靜力有限元應(yīng)力、變形計(jì)算分析。

圖1 大壩三維有限元模型

1 三維有限元分析模型

1.1 分析模型基本情況

為準(zhǔn)確模擬和分析壩體和壩基覆蓋層、趾板與面板、高趾墻與壩基覆蓋層的相互關(guān)系，有限元計(jì)算網(wǎng)格對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的刻畫，趾板和趾墻的外形等按照實(shí)際情況進(jìn)行了模擬，其中趾墻與壩基覆蓋層、面板與堆石體和趾板與覆蓋層之間均布設(shè)了接觸面單元，如圖1所示。

根據(jù)非線性靜力計(jì)算分析的需要，網(wǎng)格剖分和計(jì)算分析根據(jù)實(shí)際的大壩填筑施工次序考慮了逐級(jí)加載過(guò)程，以及水庫(kù)水位逐級(jí)升至正常蓄水位(2661.5m)的過(guò)程，其中上游圍堰、填渣以及上游壓重填筑均采用上覆荷載方式模擬。

1.2 計(jì)算參數(shù)

本工程計(jì)算中采用國(guó)內(nèi)通行的鄧肯張非線性彈性模型的E-B模式(簡(jiǎn)稱鄧肯E-B模型)描述筑壩材料砂礫石料(堆石料)應(yīng)力變形特性，見(jiàn)表1。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 壩體變形分析

壩體變形圖如圖2—7所示。

表1 混凝土面板堆石壩有限元計(jì)算參數(shù)

圖2 竣工期最大橫剖面順河向位移分布(單位：cm)

圖3 滿蓄期最大橫剖面順河向位移分布(單位：cm)

圖4 竣工期最大橫剖面豎向沉降分布(單位：cm)

圖5 滿蓄期最大橫剖面豎向沉降分布(單位：cm)

圖6 竣工期縱剖面豎向沉降分布(單位：cm)

圖7 滿蓄期縱剖面豎向沉降分布(單位：cm)

根據(jù)壩體三維計(jì)算分析的成果，竣工期壩體的最大沉降量為0.4m，占?jí)胃叩?.46%，滿蓄期壩體的最大沉降量為0.41m，最大沉降占?jí)胃叩?.47%。從沿壩軸線的河谷縱斷面看，壩體最大沉降的位置靠近壩體中部。從壩體最大橫斷面看，壩體最大沉降位于壩軸線位置的大壩半高處。對(duì)于順河向的水平位移，從河床處的壩體最大橫斷面看，竣工期壩體水平位移基本上呈對(duì)稱于壩軸線分布。上游堆石體順河向水平位移指向上游，下游堆石體順河向水平位移指向下游?？⒐て趬误w指向上游方向的最大水平位移約為9cm，指向下游方向的最大位移約為6cm。滿蓄期，壩體橫斷面上位移分布的變化較為明顯，壩體上游區(qū)指向上游的水平位移減小，指向下游區(qū)的水平位移增大。在水荷載的作用，壩體的沉降略有增加，但沉降變形的分布規(guī)律與竣工期相比變化不大。

在沿壩軸線的縱斷面上，竣工期順壩軸線方向水平位移朝向河谷中央，兩側(cè)呈對(duì)稱分布，約5cm。壩體在豎向沉降的同時(shí)分別朝向上、下游側(cè)發(fā)生水平變形。滿蓄時(shí)，壩體水平位移增量全部朝向下游側(cè)，且水平位移最大值位于靠近面板中部緊貼面板處。相對(duì)而言，下游側(cè)水平位移分布受蓄水影響較小。受水荷載影響，上游側(cè)壩體指向上游的水平位移在滿蓄期有所減小。

2.2 壩體應(yīng)力分析

壩體應(yīng)力如圖8—13所示。

圖8 竣工期最大橫剖面大主應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖9 滿蓄期最大橫剖面大主應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖10 竣工期最大橫剖面小主應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖11 滿蓄期最大橫剖面小主應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖12 竣工期最大橫剖面應(yīng)力水平分布(單位：MPa)

圖13 滿蓄期最大橫剖面應(yīng)力水平分布(單位：MPa)

壩體大、小主應(yīng)力分布基本沿深度增加。大、小主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在壩體底部，竣工期最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為1.5MPa和0.4MPa。滿蓄期，各位置大、小主應(yīng)力均有所提高，大主應(yīng)力分布趨勢(shì)較竣工期未見(jiàn)明顯變化，而上游壩體滿蓄期小主應(yīng)力明顯增加，大、小主應(yīng)力最大值分別為1.53MPa和0.5MPa。從壩體應(yīng)力水平分布上看，整個(gè)壩體的應(yīng)力水平不大，壩體無(wú)剪切破壞區(qū)。竣工期僅趾墻附近應(yīng)力水平略高，但應(yīng)力水平較高區(qū)域范圍有限，且不形成貫通區(qū)，其余位置應(yīng)力水平分布相對(duì)均勻。蓄水之后，在水壓力的作用下，壩體上游側(cè)堆石體的主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，小主應(yīng)力增加幅度大于大主應(yīng)力的增加幅度，從而導(dǎo)致壩體上游側(cè)堆石體出現(xiàn)剪應(yīng)力卸荷的現(xiàn)象。

2.3 面板應(yīng)力變形分析

面板應(yīng)力變形如圖14—16所示。

圖14 滿蓄期面板順壩坡方向應(yīng)力(單位：MPa)

圖15 滿蓄期面板順壩軸線方向應(yīng)力(單位：MPa)

圖16 滿蓄期面板撓度(單位：cm)

面板的施工方式為壩體施工完畢后一次澆筑至壩頂?？⒐r(shí)，面板在壩體沉降和順河向水平位移的作用下呈一定程度的順坡向擠壓變形趨勢(shì)，同時(shí)，底部面板向上游側(cè)凸出?？傮w而言，竣工期面板所受荷載不大，面板的應(yīng)力較小。

水庫(kù)蓄水后，在庫(kù)水推力作用下，面板主要發(fā)生朝向下游的位移。在周邊縫、趾板、高趾墻和防浪墻的約束作用下，面板的撓曲變形明顯。滿蓄期面板最大撓度為0.24m，位置處于面板中下部。由于混凝土面板在水荷載作用下同時(shí)產(chǎn)生順壩坡方向和沿壩軸線方向的彎曲變形，面板的大部分區(qū)域(主要為面板中部)在順壩坡方向和沿壩軸線方向上呈雙向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，2個(gè)方向上最大壓應(yīng)力數(shù)值分別為6.7MPa和6.1MPa。在面板周邊位置，特別是靠近左岸岸坡中下部變坡點(diǎn)附近位置，面板在順壩坡方向上呈受拉狀態(tài)，相應(yīng)的面板縱縫也呈受拉狀態(tài)。在左、右兩岸側(cè)岸坡中部附近，存在一個(gè)面板順壩軸線方向的拉應(yīng)力區(qū)。兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的拉應(yīng)力數(shù)值均不高，在1.5MPa左右。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)三維計(jì)算分析所得的滿蓄期壩體最大沉降為0.41m，最大沉降占?jí)胃叩?.47%。滿蓄期，壩體大、小主應(yīng)力的最大值分別為1.5MPa和0.5MPa。從壩體應(yīng)力變形分析的角度看，總體而言，壩體的應(yīng)力和變形基本上處于合理的范圍之中，與類似工程相比，這樣的應(yīng)力、變形量級(jí)也是可以接受的?；炷撩姘宥咽瘔蔚脑O(shè)計(jì)方案和斷面分區(qū)布置基本合理。

(2)由于混凝土面板采取大壩填筑完成后一次澆筑到頂?shù)氖┕し绞剑⒐て诿姘鍛?yīng)力和變形均較小。蓄水后，面板在庫(kù)水荷載作用下向下游變形。滿蓄期，面板大部分區(qū)域呈沿壩軸線方向和沿壩坡方向的雙向受壓狀態(tài)，順壩軸線和順壩坡方向最大應(yīng)力均出現(xiàn)在面板中部，最大壓應(yīng)力分別為6.7MPa和6.1MPa。受岸坡地形和趾板的約束作用，面板周邊存在局部拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力數(shù)值不高，最大值約1.5MPa?？傮w而言，蓄水期面板應(yīng)力狀態(tài)正常。

(3)從計(jì)算結(jié)果看，盡管壩體整體變形量級(jí)不大，但壩體的變形分布受局部地形影響較大。壩址左側(cè)地形相對(duì)平緩，右側(cè)岸坡陡峻，同時(shí)，覆蓋層在左、右岸和上、下游區(qū)的分布也不均勻。