靜力特征的面板堆石壩設(shè)計方案研究
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摘要：混凝土面板堆石壩具有安全性、經(jīng)濟性以及地形條件適應(yīng)性方面的突出優(yōu)勢，是水利工程建設(shè)領(lǐng)域的首選壩型。文章以和尚溝水電站為例，通過有限元仿真計算，對兩種不同的面板堆石壩設(shè)計形式進行對比分析，結(jié)果顯示，鑲嵌混凝土面板堆石壩的沉降幅度大幅減小，順坡向應(yīng)力和撓度均有顯著改善，建議在大壩設(shè)計時采用。
關(guān)鍵詞：靜力數(shù)值分析；面板堆石壩；和尚溝水電站
1工程背景
擬建中的和尚溝水電站位于遼寧丹東鳳城市石城鎮(zhèn)境內(nèi)的愛河上游干流上，是愛河梯級開發(fā)的重要規(guī)劃工程，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪和養(yǎng)殖等綜合功能的小型徑流式水電站。趙家堡子水電站工程主要由面板堆石壩、溢流壩、引水系統(tǒng)和電站廠房構(gòu)成，項目所在地區(qū)屬于長白山系，區(qū)內(nèi)山脈多南北走向，由于受到鴨綠江水系的強烈侵蝕作用，呈現(xiàn)出群峰聳立、山高谷深的地貌景觀。從地層巖性來看，基底埋藏較深，沉積蓋層主要是泥盆紀(jì)、三疊紀(jì)至下第三系地層，主要由海相碳酸鹽和淺海、濱海碎屑巖構(gòu)成?？傮w來看，項目區(qū)的地貌以高山峽谷地貌為主，輔以部分溶蝕地貌，為典型的峽谷性水庫?；炷撩姘宥咽瘔卧诮ㄔO(shè)與運行過程中的動力特征是大壩設(shè)計中必須要考慮的問題[1]。為了有效控制面板堆石壩的堆石體變形，提高其穩(wěn)定性，對面板堆石壩的體型設(shè)計進行深入研究，探究不同體型堆石壩的應(yīng)力變形規(guī)律，具有重要的理論和實踐意義。
2有限元模型的構(gòu)建
2.1計算方案
針對和尚溝水電站的工程實際，擬定鑲嵌面板堆石壩和普通面板堆石壩兩種不同方案進行對比研究[2]。其中，方案一為鑲嵌面板堆石壩，設(shè)計壩高為150.0m，壩頂寬為10.0m，上游壩坡的坡比為1∶1.4，在大壩的上游壩踵部位設(shè)置高度為60.0m，頂寬10.0m的C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鑲嵌混凝土面板的長度為130.77m，頂部和底部的最大計算厚度分別為0.4m和0.7m，面板采用標(biāo)號C30混凝土澆筑；方案二為普通面板堆石壩，混凝土面板的斜面長度為234.10m，底部最大計算厚度為0.85m，其余參數(shù)與方案一相同。
2.2計算模型
利用設(shè)計的面板堆石壩的標(biāo)準(zhǔn)剖面進行ABAQUS有限元模型構(gòu)建，以沿河方向為X軸，指向下游的方向為正方向；以鉛直方向為Y軸方向，以向上的方向為正方向[3]。結(jié)合相關(guān)研究成果，模型的建模范圍為大壩地基向上下游與深度方向各延伸1.0倍壩高[4]。在模型建模范圍確定之后，以平面三角形單元進行模型的網(wǎng)格劃分[5]。其中，方案一最終獲得4123個計算單元，2346個計算節(jié)點；方案二共得到3987個計算單元，2268個計算節(jié)點。
2.3計算參數(shù)
研究過程中，對大壩堆石體所用的材料采用鄧肯-張E-B非線性模型，其主要參數(shù)見表1[6]。大壩其余部位的材料在模型計算中均按照線性材料處理，其中大壩面板與壩趾的混凝土參數(shù)依照工程設(shè)計取值，基巖參數(shù)依照同類工程經(jīng)驗取值，結(jié)果見表2[7]。計算過程中，在壩體施工與蓄水期采取22級逐級加載的方式進行模擬計算，計算模型的大壩基巖底面設(shè)置固端約束，在模型的X軸方向設(shè)置簡支處理，壩踵混凝土結(jié)構(gòu)和基巖按照整體進行考慮[8]。
3計算結(jié)果分析
3.1方案一計算結(jié)果分析
3.1.1竣工期計算結(jié)果分析
利用上節(jié)構(gòu)建的計算模型，對方案一竣工期條件下大壩的位移進行計算。通過對計算結(jié)果的分析可知：竣工期大壩在水平位移方面呈現(xiàn)出上游部分向上游平移，下游部分向下游平移的規(guī)律。其中，上游向的水平位移最大值為2.88cm，位于約1/4壩高的壩體上游部位，而下游向的最大位移值是11.26cm，位于約1/3壩高的壩體下游部位。從豎向位移來看，竣工期大壩壩體的豎向位移最大值為70.42cm，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對方案一條件下竣工期大壩的應(yīng)力進行計算，由計算結(jié)果可知，大壩竣工期的最大和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢。其中，最大主應(yīng)力全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值為2.55MPa，位于大壩堆石體的底部；最小主壓應(yīng)力為0.52MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應(yīng)力值為0.07MPa，出現(xiàn)的部位是大壩下游面接近壩頂?shù)奈恢谩?/p>
3.1.2蓄水期計算結(jié)果分析
利用計算模型，對方案一條件下蓄水期大壩的位移進行計算。通過對計算結(jié)果的分析可知：與竣工期不同，蓄水期大壩在水平位移方面均呈現(xiàn)出向下游平移的規(guī)律。其水平位移最大值為27.43cm，位于約1/2壩高的壩體上游部位。從豎向位移來看，蓄水期大壩壩體的豎向位移最大值為72.70cm，出現(xiàn)部位與竣工期相同，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對方案一蓄水期條件下大壩應(yīng)力進行計算，由計算結(jié)果可知，大壩竣工期的最大和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢。其中，最大主應(yīng)力全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值為2.69MPa，位于大壩堆石體的底部；最小主壓應(yīng)力為0.59MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應(yīng)力值為0.39MPa，出現(xiàn)的部位是重蓋區(qū)頂部。
3.1.3面板應(yīng)力變形計算結(jié)果分析
對方案一條件下大壩混凝土面板撓度與應(yīng)力值進行模型計算，結(jié)果。由計算結(jié)果可知，面板的主應(yīng)力表現(xiàn)為順坡向應(yīng)力，其中壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在面板斜長1/3的部位，為2.79MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在面板的底部，為0.11MPa；混凝土面板的撓度為19.36cm，出現(xiàn)的部位是混凝土面板斜長的1/3處。
3.2方案二計算結(jié)果分析
3.2.1竣工期計算結(jié)果分析
利用的計算模型對方案二竣工期條件下大壩的位移進行計算。通過對計算結(jié)果的分析可知：竣工期大壩在水平位移方面呈現(xiàn)出上游部分向上游平移，下游部分向下游平移的規(guī)律。其中，上游向的水平位移最大值為13.02cm，位于約1/3壩高的壩體上游部位，而下游向的最大位移值是10.01cm，位于約1/3壩高的壩體下游部位。從豎向位移來看，竣工期大壩壩體的豎向位移最大值為83.62cm，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對方案二條件下竣工期大壩的應(yīng)力進行計算，由計算結(jié)果可知，大壩竣工期的最大和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢。其中，最大主應(yīng)力全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值為2.51MPa，位于大壩堆石體的底部；最小主壓應(yīng)力為0.51MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應(yīng)力值為0.08MPa，出現(xiàn)的部位是大壩下游面接近壩頂?shù)奈恢谩?/p>
3.2.2蓄水期計算結(jié)果分析
利用計算模型，對方案二條件下蓄水期大壩的位移進行計算。通過對計算結(jié)果的分析可知：與竣工期不同，蓄水期大壩在水平位移方面均呈現(xiàn)出向下游平移的規(guī)律。其水平位移最大值為35.58cm，位于約1/2壩高的壩體上游部位。從豎向位移來看，蓄水期大壩壩體的豎向位移最大值為74.76cm，出現(xiàn)部位與竣工期相同，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對方案二蓄水期條件下大壩應(yīng)力進行計算，由計算結(jié)果可知，大壩竣工期的最大和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢。其中，最大主應(yīng)力全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值為2.69MPa，位于大壩堆石體的底部：最小主壓應(yīng)力為0.55MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應(yīng)力值為0.30MPa，出現(xiàn)的部位是重蓋區(qū)頂部。
3.2.3面板應(yīng)力變形計算結(jié)果分析
對方案一條件下大壩混凝土面板撓度與應(yīng)力值進行模型計算。由計算結(jié)果可知，面板的主應(yīng)力表現(xiàn)為順坡向應(yīng)力，其中壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在面板斜長2/3的部位，為6.24MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在面板的底部，為3.51MPa：混凝土面板的撓度為38.26cm，出現(xiàn)的部位是混凝土面板斜長的1/2處。
4方案的對比與選擇
對兩種不同設(shè)計方案下的面板堆石壩的應(yīng)力變形結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果。由表中的結(jié)果可知，兩種方案相比，無論是竣工期和蓄水期，大壩主應(yīng)力的計算結(jié)果比較接近，但是在方案一的條件下，大壩的沉降幅度大幅減小。對面板應(yīng)力變形的計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)果。采用方案一，也就是鑲嵌混凝土面板堆石壩壩型時，大壩面板的順坡向應(yīng)力和撓度均有顯著改善。結(jié)合上述分析，建議在大壩設(shè)計時采用鑲嵌混凝土堆石壩。
5結(jié)語
混凝土面板堆石壩以其安全性、經(jīng)濟性以及地形條件適應(yīng)性方面的突出優(yōu)勢，成為當(dāng)前水利工程建設(shè)領(lǐng)域的首選壩型。對混凝土堆石壩而言，現(xiàn)有的動力計算方法雖然可以對靜力反應(yīng)特征進行準(zhǔn)確反應(yīng)，但是針對不同結(jié)構(gòu)形式的堆石壩的靜力反應(yīng)規(guī)律研究仍不完善。文章以遼寧省丹東愛河干流上擬建的和尚溝水電站為例，設(shè)計了常規(guī)面板堆石壩和鑲嵌混凝土面板堆石壩兩種壩型，通過有限元仿真計算，對兩種壩型進行對比分析，結(jié)果顯示，鑲嵌混凝土面板堆石壩面板的大壩的沉降幅度大幅減小，順坡向應(yīng)力和撓度均有顯著改善，建議在大壩設(shè)計時采用鑲嵌混凝土堆石壩。同時本文研究結(jié)論也顯示，鑲嵌混凝土面板堆石壩在施工期和蓄水期具有較高的整體穩(wěn)定性和安全性，具有良好的工程應(yīng)用價值，對水利工程中的面板堆石壩設(shè)計建設(shè)具有一定的參考價值。
參考文獻：
［1］楊澤艷，周建平，王富強，等.中國混凝土面板堆石壩發(fā)展30年［J］.水電與抽水蓄能,2017，3（01）：1-5+12.
［2］孔憲京，張宇，鄒德高.高面板堆石壩面板應(yīng)力分布特性及其規(guī)律［J］.水利學(xué)報，2013，44（06）：631-639.
作者：齊兆東 單位：阜新蒙古族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心