小山口水電站混合壩插入式接頭有限元分析

陸云才

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

混合壩是重力壩與土石壩組合而成的一種壩型，因其兼有混凝土壩和土石壩的優(yōu)點且較為經(jīng)濟(jì)而被廣泛應(yīng)用。但混合壩接頭部位由于兩種壩型剛度不同，導(dǎo)致接合處變形差別大且應(yīng)力分布不均勻，地震時會產(chǎn)生不同的地震響應(yīng)，易出現(xiàn)相對沉降和張拉裂縫，是壩體最薄弱的部位，也是混合壩設(shè)計的關(guān)鍵部位。土石壩與重力壩接頭連接形式有插入式和側(cè)墻式，側(cè)墻式連接需要較長的混凝土擋墻，不經(jīng)濟(jì)且僅適應(yīng)用于低壩。插入式連接形式簡單，適用范圍廣且較側(cè)墻式更為可靠、經(jīng)濟(jì)，廣泛應(yīng)用于混合壩接頭的連接。插入接頭可靠性關(guān)系到項目的整體安全。為驗證接頭安全性，本文以小山口水電站混合壩插入式接頭為例，采用大連理工大學(xué)水利學(xué)院工程抗震研究所開發(fā)的巖土工程系列GEODYNA-三維非線性有效應(yīng)力分析軟件、FEMSTABLE-有限元動力穩(wěn)定分析程序，對接頭部位重力壩、面板壩進(jìn)行了有限元靜動力分析，評價混合壩接頭可靠性同時提出優(yōu)化設(shè)計方案。

1 工程概況

小山口水電站是開都河梯級開發(fā)規(guī)劃中的第十級電站，電站由混合壩、表孔溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪底孔、發(fā)電引水系統(tǒng)和電站廠房組成?；旌蠅斡芍亓魏兔姘鍓谓M成，該壩型兼有混凝土壩和土石壩的優(yōu)點，重力壩在施工期可以進(jìn)行導(dǎo)流，建成后進(jìn)行泄洪。面板壩可以利用當(dāng)?shù)夭牧希^為經(jīng)濟(jì)[1-4]。重力壩段最大壩高46.6m，面板壩段最大壩高37.6m。壩頂長度1181m，壩頂寬度6m。水庫正常蓄水位1316m，死水位1314m，設(shè)計洪水位1316.29m，校核洪水位1318.71m?？値烊?060萬m3，電站裝機容量49.5MW。

面板壩與重力壩的連接是混合壩設(shè)計的重點，因連接處不僅易產(chǎn)生集中滲流，而且會產(chǎn)生不均勻沉降[5]。面板壩防滲體與重力壩之間的結(jié)合，除保證填土夯實使之緊密結(jié)合之外，還應(yīng)使結(jié)合面的滲徑有一定的長度和適應(yīng)變形的能力[6]。面板壩與重力壩的連接形式，有插入式和側(cè)墻式[7]，考慮到面板壩防滲體位于壩體上游表面，若采用擋墻，擋墻高度最高達(dá)42m，施工難度大，施工進(jìn)度慢，類似方案在喀臘塑克水利樞紐和下天吉水庫的審查中被否定。確定采用插入連接形式：在上下游設(shè)置圓包頭連接重力壩和面板壩，上游圓包頭段為鋼筋混凝土面板壩結(jié)構(gòu)，趾板基礎(chǔ)坐在基巖強風(fēng)化層，面板、趾板與重力壩迎水面止水型式設(shè)置同面板壩段的周邊縫；下游圓包頭段為砂礫石填筑結(jié)構(gòu)，面板壩與重力壩連接大樣圖如圖1所示。

圖1 面板壩與重力壩連接大樣圖

2 壩址地質(zhì)條件概況

壩址區(qū)基本烈度8度，大壩抗震設(shè)計烈度9度，50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.20g。河谷兩岸左陡右緩，呈不對稱“U”形谷，谷底寬1000～1100m。左岸為IV級階地陡坎，坡角85°以上，地面高程1326～1335m，坡頂為階地砂卵礫石?；鶐r面高程1318～1320.64m，巖性為泥巖、砂巖夾砂礫巖，產(chǎn)狀319°NE∠10°，巖層傾向坡里，傾角很緩?；鶐r節(jié)理不發(fā)育，但卸荷帶及強風(fēng)化層巖體風(fēng)化裂隙較發(fā)育，右岸為IV級階地，高程1324m，基座面高程1319.23～1320.77m，坡上巖質(zhì)邊坡，岸坡坡度60°～87°；階地砂卵礫石石層厚5～8m?；鶐r為泥巖、砂巖、巖層傾向坡外：兩岸強風(fēng)化層厚2～5m，弱風(fēng)化深度5～14m。河谷分為河床及洪積扇段，靠左岸的河床及河漫灘段長約470m，河床堆積物為砂卵礫石目標(biāo)層為粘土層；下部為砂卵礫石層，地下水埋深1.5～1.6m左右；基巖為泥巖、沙質(zhì)泥巖。強風(fēng)化層厚度3～4.5m，弱風(fēng)化層8m。靠右岸洪積扇段長620m，上部為洪積砂質(zhì)砂土及粘土層，厚度分別為4～9m和2～5m；下部為沖擊砂卵礫石層，地下水埋深4～15.1m；基巖為泥巖、砂巖。地址區(qū)分布的底層為新生界第三系中新統(tǒng)N1t地層及第四系堆積物。N1t巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，局部與砂巖呈互層狀，夾砂礫巖，巖體完整，巖層分布連續(xù)。河谷沖積層地下水豐富，為空隙潛水，埋深1.92～18.1m，含水層厚3.5m左右。滲透系數(shù)為6.94×10-2cm/s，為強透水層。兩岸及河谷基巖透水性弱，為不透水層水巖體。

3 接頭部位的有限元分析

3.1 有限元分析內(nèi)容

接頭部位是混合壩的薄弱環(huán)節(jié)，特別是在地震作用下，兩種材料接觸面上特別容易產(chǎn)生滑移裂縫，甚至開裂破壞[8-10]。因此，接頭處接觸面上的應(yīng)力大小以及開裂滑移區(qū)域分布是混合壩有限元分析的重點。為了驗證接頭安全性，對接頭進(jìn)行了有限元分析，分析內(nèi)容如下：①建立面板堆石壩與接頭部分整體模型，采用三維有限元進(jìn)行靜力計算，模擬大壩填筑和蓄水過程，計算壩體和壩基應(yīng)力、位移，以及重力壩插入堆石壩接頭部位應(yīng)力和相對位移，為動力計算提供初始應(yīng)力[11-12]。②采用三維有限元進(jìn)行動力反應(yīng)計算，模擬大壩填筑和蓄水過程，計算壩體和壩基應(yīng)力、位移，重力壩插入堆石壩接頭部位應(yīng)力和相對位移，面板周邊縫和中間縫的位移。并為動力計算提供初始應(yīng)力。綜合計算分析，評價混合壩接頭部位的抗震安全性，提出優(yōu)化方案。

3.2 壩體有限元模型

為研究壩料靜力參數(shù)變化對大壩應(yīng)力和變形的影響，將以上壩料的K和Kb折減到原值的80%，定義為工況2；將K和Kb折減到原值的60%，定義為工況3。工況見表1。下文僅給出工況1計算得到的等值線圖，3種工況計算結(jié)果匯總于相應(yīng)表中。

表1 工況簡述

3.3 接頭部分重力壩靜力計算結(jié)果

3.3.1接頭部分重力壩位移

工況1計算得到的接頭部分重力壩位移等值線如圖2所示，不同工況下的位移最大值見表2，由重力壩位移等值線圖和表可知：接頭部分重力壩的位移很小，其順河向位移最大值為0.41mm，發(fā)生在頂部；豎向位移最大值為0.77mm，亦發(fā)生在頂部；壩軸向位移最大值為0.21mm，發(fā)生在1/3壩高處附近。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，接頭部分重力壩的位移變化不大。

表2 滿蓄期接頭部分重力壩的應(yīng)力、變形最大值

圖2 接頭部分重力壩順河向、豎向、沿壩軸向位移

3.3.2接頭部分重力壩應(yīng)力

工況1計算得到的接頭部分重力壩主應(yīng)力等值線如圖3所示，不同工況下的主應(yīng)力最大值見表2，由重力壩主應(yīng)力等值線圖和表可知：接頭部分重力壩最大壓應(yīng)力為1.09MPa，發(fā)生在底部；最大拉應(yīng)力為0.09MPa。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，接頭部分重力壩的應(yīng)力變化很小。

圖3 接頭部分重力壩大、小主應(yīng)力(壓為正)

3.4 接頭部分面板壩靜力計算結(jié)果

3.4.1圓弧段面板位移

工況1計算得到的壩體圓弧段面板位移等值線如圖4所示，不同工況下的位移最大值匯總見表3。通過位移等值線和表可知：圓弧段面板順河向位移最大值為0.52cm，發(fā)生在水平段面板與圓弧段面板連接處1/3壩高的位置附近；面板豎向位移最大值為0.84cm，發(fā)生在靠近面板中部1/3壩高處附近；面板壩軸向位移最大值為0.44cm，出現(xiàn)在靠近面板中部1/4壩高處附近。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，圓弧段面板順河向位移最大值由0.52cm增大到0.83cm，面板豎向位移最大值由0.84cm增大到1.35cm，面板壩軸向位移最大值由0.44cm增大到0.69cm。

表3 滿蓄期圓弧段面板應(yīng)力、變形最大值

圖4 圓弧段面板沿順河向、沿豎向、沿壩軸向位移(俯視圖)

3.4.2圓弧段面板應(yīng)力

工況1計算得到的壩體圓弧段面板主應(yīng)力等值線如圖5所示，不同工況下的應(yīng)力最大值列見表3。通過主應(yīng)力等值線和表可知：圓弧段面板大主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為3.08MPa，發(fā)生在面板中部1/3壩高處附近；面板小主應(yīng)力也主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為0.25MPa，頂部出現(xiàn)小范圍的拉應(yīng)力，最大值僅為0.09MPa。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，圓弧段面板壓應(yīng)力的最大值由3.08MPa增大到4.21MPa，拉應(yīng)力變化很小。

圖5 圓弧段面板大、小主應(yīng)力(俯視圖，壓為正)

3.4.3圓弧段面板周邊縫位移

不同工況下的周邊縫的三向位移最大值見表3。從周邊縫變位圖及表可知：滿蓄期周邊縫沿趾板走向剪切位移最大值為1.04mm，位于左岸底部；周邊縫沿面板法向剪切位移最大值為2.75mm，靠近左岸，表現(xiàn)為水壓力作用下的沉陷；周邊縫基本處于張開狀態(tài)，最大值為0.33mm。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，周邊縫沿趾板走向剪切位移最大值由1.04mm增大到1.83mm，沿面板法向剪切位移最大值由2.75mm增大到4.36mm，張開位移最大值由0.33mm增大到0.46mm，壓縮位移最大值由0.04mm增到0.08mm。

3.4.4圓弧段面板豎縫位移

不同工況下的豎縫的三向位移最大值見表3。從表可知：滿蓄后，面板豎縫的沿順坡向剪切位移最大值為0.84mm；沿面板法向剪切位移最大值為3.95mm，表現(xiàn)為水壓力作用下的沉陷；張開位移最大值為1.43mm，壓縮位移最大值0.08mm。豎縫位移量值均不大，在經(jīng)驗的范圍內(nèi)。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，面板豎縫的沿順坡向剪切位移最大值由0.84mm增大到1.41mm，沿面板法向剪切位移最大值由3.95mm增大到5.63mm，張開和壓縮位移變化很小。

3.5 接頭部分壩體地震響應(yīng)計算

3.5.1接頭部分重力壩靜動疊加應(yīng)力

地震時接頭部分重力壩主應(yīng)力如圖6所示，可以看出：接頭部分重力壩最大壓應(yīng)力為1.30MPa，發(fā)生在壩底處，最大拉應(yīng)力為0.22MPa，發(fā)生在壩頂處。

圖6 地震時接頭部分重力壩最大、最小主應(yīng)力(壓為正)

3.5.2接頭部分圓弧段面板靜動疊加應(yīng)力

地震時圓弧段面板主應(yīng)力如圖7所示，可以看出：地震時面板最大壓應(yīng)力為4.00MPa，發(fā)生壩高1/3處附近，最大拉應(yīng)力為1.08MPa，發(fā)生在圓弧段面板與水平段面板連接處的壩頂位置附近。

圖7 地震時面板最大、最小主應(yīng)力(壓為正)

3.5.3圓弧段面板周邊縫靜動疊加位移

圓弧段面板周邊縫的靜動疊加位移最大值見表4，可以看出：周邊縫靜動位移疊加后的最大值分別為1.16mm(沿趾板走向剪切)，2.76mm(沿面板法向剪切)，1.41mm(張開)，0.31mm(壓縮)。

表4 圓弧段面板縫靜動位移疊加結(jié)果

3.5.4圓弧段面板豎縫靜動疊加位移

圓弧段面板豎縫的靜動疊加位移最大值見表4，可以看出：豎縫靜動位移疊加后的最大值分別為1.85mm(沿順坡向剪切)，4.21mm(沿面板法向剪切)，2.36mm(張開)，0.85mm(壓縮)。

4 結(jié)論

滿蓄期接頭部分重力壩的位移很小，壩其順河向位移最大值為0.41mm，發(fā)生在頂部；豎向位移最大值為0.77mm，亦發(fā)生在頂部；壩軸向位移最大值為0.21mm，發(fā)生在1/3壩高處附近。滿蓄期接頭部分重力壩最大壓應(yīng)力為1.09MPa，發(fā)生在底部；最大拉應(yīng)力為0.09MPa。地震時接頭部分重力壩最大壓應(yīng)力為1.30MPa，發(fā)生在壩底處，最大拉應(yīng)力為0.22MPa，發(fā)生在壩頂處。對壩料參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，接頭部分重力壩的應(yīng)力、位移變化很小。

滿蓄期圓弧段面板順河向位移最大值為0.52cm，發(fā)生在水平段面板與圓弧段面板連接處1/3壩高的位置附近；面板豎向位移最大值為0.84cm，發(fā)生在靠近面板中部1/3壩高處附近；面板壩軸向位移最大值為0.44cm，出現(xiàn)在靠近面板中部1/4壩高處附近。滿蓄期圓弧段面板大主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為3.08MPa，發(fā)生在面板中部1/3壩高處附近；面板小主應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為0.25MPa，頂部出現(xiàn)小范圍的拉應(yīng)力，最大值僅為0.09MPa。

滿蓄期周邊縫沿趾板走向剪切位移最大值為1.04mm，位于左岸底部；周邊縫沿面板法向剪切位移最大值為2.75mm，靠近左岸，表現(xiàn)為水壓力作用下的沉陷；周邊縫基本處于張開狀態(tài)，最大值為0.33mm。地震時周邊縫靜動位移疊加后的最大值分別為1.16mm(沿趾板走向剪切)，2.76mm(沿面板法向剪切)，1.41mm(張開)，0.31mm(壓縮)。與滿蓄期的靜力計算結(jié)果相比，周邊縫的位移變化不大，表明地震引起的縫的動位移量比較小。滿蓄期面板豎縫的沿順坡向剪切位移最大值為0.84mm；沿面板法向剪切位移最大值為3.95mm，表現(xiàn)為水壓力作用下的沉陷；張開位移最大值為1.43mm，壓縮位移最大值0.08mm。豎縫位移量值均不大，在經(jīng)驗的范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

從分析結(jié)果可知，在滿蓄和地震工況下，混合壩連接壩段面板壩部分產(chǎn)生了相對混凝土壩較大沉降，因此，在實際工程中要特別加強接頭處施工質(zhì)量，提高碾壓密實度。在接頭處適當(dāng)采取抗震措施，可在受拉區(qū)設(shè)置土工格柵，提高抗剪和適應(yīng)變形的能力，同時盡量延長滲徑，避免接頭裂壩體因縫產(chǎn)生滲透破壞。

由于國內(nèi)外對混合壩本接頭部位缺少細(xì)致的研究，導(dǎo)致接頭部位經(jīng)常出現(xiàn)變形和裂縫，結(jié)合小山口水電站混合壩對接頭部位進(jìn)行有限元系統(tǒng)分析，結(jié)果表明接頭安全可行，為類似工程積累了經(jīng)驗，意義顯著?？稍诖嘶A(chǔ)上，再進(jìn)行滲流計算分析，提出相應(yīng)的優(yōu)化和改善措施，提高混合壩接頭部位運行的可靠度。