高懸臂廠壩導(dǎo)墻單側(cè)擋水工況下的抗滑穩(wěn)定性分析

楊 錦，尚高增，陳海坤，李社鳳，羅璨璨，張建海

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院, 四川 成都 610065；2.中國電建集團 貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司 成都分院，四川 成都 610091)

在水工大壩建筑物施工運營周期內(nèi)，一般需設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)物用以引導(dǎo)水流方向便于在施工期形成無水的施工環(huán)境和在運營期形成更大水頭。在施工期間常出現(xiàn)導(dǎo)墻一側(cè)導(dǎo)流過水一側(cè)施工開挖的懸臂單側(cè)受力情況[1-3]，導(dǎo)墻在此極端受力條件下的應(yīng)力極值和抗滑安全穩(wěn)定性是工程安全關(guān)鍵點。本文以某航電樞紐工程為例，重點研究該工程在施工期高懸臂單側(cè)受力工況下的抗滑安全穩(wěn)定性。并為類似工程提供參考。

該航電樞紐位于岷江流域，設(shè)計總裝機容量480 MW。樞紐主要建筑物采用一字型布置如圖1所示，從左至右依次為：左岸重力壩段、魚道擋洪閘壩段、廠房壩段、泄洪閘壩段、船閘壩段、右岸接頭重力壩段，壩頂總長961.07 m，壩頂高程為324.50 m。

圖1 平面布置圖

如圖2(b)所示，廠壩導(dǎo)墻位于廠房與泄洪閘之間，順河布置，垂直于閘軸線，起于泄洪閘第1孔邊墩下游側(cè)壩縱0+040.00 m，延伸至壩縱0+280.00 m，共240 m。消力池段為壩縱0+040.00 m至壩縱0+135.00 m，墻頂從起始的321.50 m高程按1∶6的坡度過渡到316.00 m高程導(dǎo)墻型式為“L”形，墻頂厚4 m，墻底高程與泄洪閘側(cè)底板相同，翼緣寬度21 m，翼緣末端設(shè)齒槽。導(dǎo)墻底板與消力池底板連接形成整體，與廠房側(cè)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫。在施工導(dǎo)流期，廠壩導(dǎo)墻單側(cè)高水位擋水，廠房側(cè)開挖至底板建基面高程時，廠壩導(dǎo)墻最大懸臂達(dá)49.00 m。

1 抗滑安全系數(shù)計算研究

如圖2所示，廠壩導(dǎo)墻在截面上與重力壩形式相近，主要依靠自身重力維持安全穩(wěn)定[4-8]。對重力壩的抗滑穩(wěn)定性計算，按照剛體極限平衡法[9-13]確定抗滑安全系數(shù)。

(1)

式中：c、f為抗剪強度參數(shù)，對滑動面上所有微元阻滑應(yīng)力按面積積分為阻滑力Fz，對滑面上所有微元滑動應(yīng)力按面積積分為滑動力FH，阻滑力與滑動力的比值為整體抗滑安全系數(shù)。

(2)

式(2)由一點的應(yīng)力狀態(tài)可計算得到該點在任何方向上的點抗滑安全系數(shù)[14]，當(dāng)滑動面上所有點的點安全系數(shù)均大于1.0時，認(rèn)為滑動面是穩(wěn)定的[15]。在有限元計算中，可以得到每個單元的應(yīng)力分量，按式(1)、式(2)可計算沿任何滑動面的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和點抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

圖2 計算模型

2 計算模型與方案

如圖2所示，為準(zhǔn)確得到廠壩導(dǎo)墻的力學(xué)行為，本次計算研究選取1#—4#閘門壩段+9#廠房進行整體三維有限元計算。選定坐標(biāo)系統(tǒng)，x軸由上游指向下游，包含壩縱0-67.8 m至壩縱0+184.8 m，以閘墩上游拐點為x軸原點；y軸沿橫河向，由右岸指向左岸，包含壩橫0+309.28 m至壩橫0+418.08 m，以廠壩結(jié)構(gòu)縫位置為y軸原點；z軸鉛直向上，從建基面向下延伸60 m，取高程212.5 m及以上，z軸原點取在高程0.00 m處。按照設(shè)計提供圖紙，對地基基礎(chǔ)和上部壩體結(jié)構(gòu)建立了詳細(xì)三維模型，地基分為強風(fēng)化基巖、弱風(fēng)化基巖和微新基巖三部分；壩體結(jié)構(gòu)包括底板、閘墩、頂板、閘門、門槽、上游導(dǎo)墻、廠壩導(dǎo)墻、機組間、副廠房、引水段、尾水段、進人孔、電梯井、廠房排架和結(jié)構(gòu)縫等，全部采用八節(jié)點六面體單元及其退化單元，共計剖分節(jié)點829 145個、單元882 767個。閘門與門槽、墊板之間設(shè)置接觸對，受壓時貼合，受拉時分離，只傳遞壓力不傳遞拉力。結(jié)構(gòu)縫采用一層0.02 m厚的薄單元模擬，縫單元與周圍單元仍是共節(jié)點連接，通過設(shè)置為軟而輕的縫材料表現(xiàn)其特性。

為研究廠壩導(dǎo)墻在施工運營周期內(nèi)的抗滑安全穩(wěn)定性，設(shè)計表1的計算方案。正常運行工況計算工程建成后正常蓄水位持久狀態(tài)下的廠壩導(dǎo)墻應(yīng)力位移響應(yīng)與穩(wěn)定性，非常運行工況計算流域汛期達(dá)到校核洪水位時的偶然狀態(tài)下的應(yīng)力位移響應(yīng)與穩(wěn)定性，施工期工況計算在施工導(dǎo)流期間，泄洪閘壩段導(dǎo)流，廠房側(cè)開挖至建基面，導(dǎo)墻單側(cè)擋水的短暫狀態(tài)下的應(yīng)力位移響應(yīng)與安全穩(wěn)定性。

表1 計算方案布置

對“正常運行”與“非常運行”工況即采用圖2(a)所示網(wǎng)格模型，兩工況在水位與荷載施加上變化?！笆┕て凇惫r采用模型不包含廠房側(cè)結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。

3 計算參數(shù)

壩趾處河床分布2 m～5 m厚的沖積砂卵石，壩基以薄層狀結(jié)構(gòu)泥巖為主，約占90%，巖體裂隙呈輕度發(fā)育至不發(fā)育，多呈閉合狀，巖體多較完整。本次計算按照表2所列參數(shù)計算。壩體主要使用C25混凝土，特殊位置使用其他標(biāo)號混凝土。不同標(biāo)號混凝土之間，泊松比和密度設(shè)置為相同，彈性模量隨標(biāo)號變化，如閘墩采用C30混凝土，彈性模量為30.0 GPa；底板表層采用C40混凝土，彈性模量為32.5 GPa；上游導(dǎo)墻采用C15混凝土，彈性模量為22.0 GPa。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

巖體與防滲帷幕采用莫爾-庫侖塑性模型，混凝土采用線彈性模型。在大型通用有限元計算軟件ABAQUS中完成計算分析。

4 各工況下廠壩導(dǎo)墻應(yīng)力位移響應(yīng)

表3列出3種工況下位移應(yīng)力的極值及出現(xiàn)的位置。圖3—圖7所示為廠壩導(dǎo)墻在“非常運行”工況和“施工期”工況下順河向位移、橫河向位移、豎向位移、第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布情況，圖中U1即Ux為順河向位移，U2即Uy為橫河向位移，U3即Uz為豎向位移，應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)。對比分析可以看到：

(1) 如圖3所示，順河向位移在導(dǎo)墻齒槽處達(dá)到向下游最大值?！笆┕て凇惫r下順河向位移最大值為0.589 mm與“運行期”順河向位移最大值0.570 mm基本一致，向下游位移。

(2) 橫河向位移在導(dǎo)墻中上段頂部達(dá)到正向(向廠房側(cè))最大值，“施工期”工況下橫河向位移最大值為8.688 mm(如圖4(b)所示)遠(yuǎn)大于“運行期”工況橫河向位移最大值1.235 mm，向廠房側(cè)位移。

(3) 如圖5所示，豎向位移在導(dǎo)墻上端頂部達(dá)到豎向位移最大值，“施工期”工況下豎向位移最大值為-6.859 mm比“運行期”工況豎向位移最大值-7.832 mm稍小，鉛直向下位移。

(4) “運行期”廠壩導(dǎo)墻的第一主應(yīng)力(拉應(yīng)力)量值較小，最大值為0.373 MPa，出現(xiàn)在導(dǎo)墻迎水面上游段底部。“施工期”廠壩導(dǎo)墻的第一主應(yīng)力遠(yuǎn)大于“運行期”，最大值為2.136 MPa(如圖6(b)所示)，出現(xiàn)在導(dǎo)墻迎水面齒槽上方與消力池銜接處，且在導(dǎo)墻與消力池連接處出現(xiàn)一條明顯的帶狀拉應(yīng)力區(qū)。

表3 各工況下位移應(yīng)力極值

圖3 運行期與施工期工況下順河向位移(單位：m)

圖4 運行期與施工期工況下橫河向位移(單位：m)

圖5 運行期與施工期工況下豎向位移(單位：m)

圖6 運行期與施工期工況下第一主應(yīng)力(單位：MPa)

(5) 如圖7所示， “運行期”廠壩導(dǎo)墻的第三主應(yīng)力(壓應(yīng)力)量值一致，最大值為-1.146 MPa，出現(xiàn)在導(dǎo)墻背水面齒槽?！笆┕て凇睆S壩導(dǎo)墻的第三主應(yīng)力遠(yuǎn)大于“運行期”，最大值為-2.929 MPa，仍出現(xiàn)在導(dǎo)墻背水面齒槽。

5 廠壩導(dǎo)墻穩(wěn)定性分析

分別沿導(dǎo)墻中段最大橫河向位移處(x=0+92.9 m)軸線A及導(dǎo)墻下游段過最大拉應(yīng)力處(x=0+128.0 m)軸線B提取導(dǎo)墻應(yīng)力(軸線位置如圖2(a)示意)，以此兩條線表征整體。繪制兩條線上的橫河向位移、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力沿高程分布如圖8所示。由圖中可明顯看到：

(1) 橫河向位移沿高程線性分布，隨高程的增加位移增加；“施工期”工況下的橫河向位移遠(yuǎn)大于“運行期”工況；A軸線上位移比B軸線位移大。

(2) “運行期”工況第一主應(yīng)力無極值出現(xiàn)，“施工期”工況第一主應(yīng)力在高程296 m處達(dá)到最大值2.136 MPa；B軸線上第一主應(yīng)力比A軸線量值大。

(3) “運行期”工況第三主應(yīng)力在高程296 m處達(dá)到最大值，“施工期”工況第三主應(yīng)力在高程296 m處量值較小，甚至反號。

在底板沿橫河向延長上述軸線，并沿線提取應(yīng)力值，繪制導(dǎo)墻及消力池底板上的應(yīng)力隨位置分布圖，如圖9(a)。按式(2)計算兩線上各點的點抗滑安全系數(shù)，并繪制點安全系數(shù)隨位置分布如圖8(b)。按式(1)計算兩線上的整體抗滑安全系數(shù)。

圖7 運行期與施工期工況下第三主應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 線上位移和應(yīng)力隨高程分布

圖9 底板應(yīng)力和抗滑點安全系數(shù)隨y坐標(biāo)分布

可以看到：

(1) 特征線上豎向應(yīng)力除y=-15 m附近少部分(即1#壩段壩縫)外都小于0，處在壓實狀態(tài)。

(2)抗滑點安全系數(shù)隨y坐標(biāo)減小而減小，并隨輪廓線變化。在y=-15 m(即1#壩段壩縫)和y=-25 m(即輪廓變截面處)安全系數(shù)最小。

(3) 軸線A抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為5.98，軸線B抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為6.04。

6 結(jié) 論

(1) 廠壩導(dǎo)墻在單側(cè)擋水的“施工期”工況下的應(yīng)力和位移響應(yīng)遠(yuǎn)大于雙側(cè)擋水的“運行期”工況，“施工期”工況橫河向位移最大值為8.688 mm ，是“運行期”橫河向位移最大值1.235 mm的7.0倍；“施工期”工況第一主應(yīng)力最大值為2.136 MPa ，出現(xiàn)在導(dǎo)墻迎水面中下段齒槽上方，是“運行期”第一主應(yīng)力最大值0.373 MPa的5.7倍；“施工期”工況第三主應(yīng)力最大值為-2.929 MPa，出現(xiàn)在導(dǎo)墻背水面齒槽處，是“運行期”第三主應(yīng)力最大值-1.146 MPa的2.6倍。

(2) 廠壩導(dǎo)墻在“運營期”工況下位移應(yīng)力均滿足設(shè)計要求；在“施工期”工況下的拉應(yīng)力最大值為2.136 MPa，應(yīng)對該拉應(yīng)力區(qū)進行局部加強配筋；導(dǎo)墻及消力池底板上豎向應(yīng)力均小于0，處在壓實狀態(tài)，無傾覆危險。導(dǎo)墻抗滑安全系數(shù)約在5.98，抗滑安全性好，滿足設(shè)計要求。