巖灘溢流重力壩抗震安全分析和評價

馬 躍,沈振中,甘 磊,覃 杰,李文森

(1.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京210098;2.廣西巖灘水電廠,廣西 大化530811)

巖灘水電站是紅水河梯級水電站中的第五級,位于紅水河中游廣西大化瑤族自治縣境內,東南距巴馬縣30 km,距南寧市170 km。1992年建成,電站以發電為主,兼有航運效益。樞紐主要建筑物由攔河壩、發電廠房、開關站和垂直升船機等組成,呈一列式布置。溢流壩段位于河床中部,包括溢流壩和消力戽,上游壩面為鉛直面,溢流堰面采用WES標準剖面。溢流壩按開敞式布置,設7個表孔,每孔寬15 m,堰頂高程202 m,每孔設弧形工作閘門一扇,表孔消能方式采用寬尾墩與康式消力池聯合消能,故閘墩尾部增厚,標準寬尾墩的閘墩尾部寬度為12 m,寬尾部分的長度為12 m,寬尾部分的高度系從堰面至202 m高程。高程163 m以上壩體采用碾壓混凝土澆筑。碾壓混凝土壩采用“金包銀”式,即壩體內部為碾壓混凝土,上、下游壩面,堰頂和壩基墊層為常態混凝土。壩址工程地質條件較好,壩基處于輝綠巖,主體工程基礎均置于微風化新鮮輝綠巖上。DL5073-2000《水工建筑物抗震設計規范》第6.1.2條規定,“對于工程抗震設防類別為甲類,或結構復雜,或地基條件復雜的重力壩,宜補充作有限元法動力分析”,本研究即遵循上述規定,選取溢流壩段中的最高壩段16#,采用三維有限元法,按地震設防標準進行抗震安全復核,研究大壩的地震反應以及基巖深、淺層抗滑穩定性,并分析基巖變形的影響,評價大壩的抗震安全性。巖灘大壩溢流壩段的典型剖面如圖1所示。

1 有限元模型

根據結構特性及計算分析要求,忽略廊道、機房和閘門等附屬結構的影響,將閘門擋水時作用在閘門上的水壓力按均布力作用于錨塊上,壩體混凝土分3個區,壩基巖體分5個區。壩體混凝土作為線彈性材料,壩基巖體作為彈塑性材料[1],通過建立三維有限元模型進行非線性計算分析。采用Solid45和Solid65兩種單元分別模擬壩體混凝土和壩基巖體[2]。坐標系定義為:原點取壩軸線;X軸為順河向,以從上游指向下游方向為正;Y軸為豎直向,以向上為正;Z軸為平行壩軸線,以從河流左岸指向右岸方向為正。計算模型的邊界范圍如下:在X軸向,壩踵往上游截取1.5倍壩高,壩趾往下游截取1.5倍壩高,共計390.9 m;在Y軸向,向下截至壩基面以下1.5倍壩高,共265 m;在Z軸向,取全部壩段寬度,即壩軸線向長度為20 m。離散后,溢流壩段的有限元模型結點數為11 487個,單元數為11 263個(圖2)。

計算模型截取邊界均為底部固定約束,上、下游X向約束,側面Z向約束。

圖1 溢流壩段典型剖面

圖2 模型有限元網格

2 計算參數和工況

該壩溢流壩段各分區混凝土及巖體計算參數見表1。

表1 材料參數

根據規范要求,對溢流壩段特殊荷載組合Ⅱ進行計算分析,即考慮大壩正常蓄水時遭遇設計地震的情況。正常蓄水位為223m,大壩按7度地震設防。計算時,所施加的荷載包括:自重、上游靜水壓力、壩基揚壓力、上游庫水和河道水重、淤沙壓力、閘門作用在錨塊上的推力等。由于揚壓力實測值小于設計值,因此為安全計,仍取設計值作為揚壓力荷載進行抗震安全復核,防滲帷幕和排水孔幕的綜合揚壓力系數取0.3。現狀巖灘大壩壩前淤積高程約為171.5 m,未超過設計的按40 a計算的淤積高程175m。閘墩承受的單支鉸門推力為23 160 kN,按均布力加載在錨塊的上游面上。地震慣性力及地震動水壓力按DL5073-2000《水工建筑物抗震設計規范》和DL5077-1997《水工建筑物荷載設計規范》的要求進行計算。

3 地震作用下大壩安全評價

首先計算基巖在自重作用下的位移和應力,保存計算所得初始應力文件。建壩后地震作用情況下需先加載此文件,然后施加其它荷載,初始應力文件中僅有應力項,無位移項,即假定基巖在自重作用下的變形早已完成。這里應力以拉應力為正,壓應力為負。

3.1 強度安全評價

將壩體在地震作用下的應力反應與正常蓄水工況的計算結果進行疊加,得到地震作用下的壩體應力分布。

靜動力荷載作用下,壩體最大第一主應力值為3.27 MPa,出現在寬尾墩尾部的折坡處,與靜力工況下壩體最大拉應力出現部位相同,另外寬尾墩尾部與溢流壩交接處以及壩踵處的第一主應力值也較大,分別為2.51 MPa和1.75 MPa;最大第三主應力即壓應力值為1.13 MPa,出現在寬尾墩尾部的折坡處;壩體豎直向最大應力為1.73 MPa,出現在閘墩尾部折坡處以及壩踵位置。從應力分布來看,庫水壓力通過閘門傳給閘墩上的牛腿,必然在閘墩尾部折坡處產生較大的拉應力,并在寬尾墩尾部與溢流壩交接處產生較大的壓應力,計算結果符合一般規律。由于自重和水壓力的作用,垂直向最大應力出現壩踵位置和閘墩尾部與溢流壩交接處。根據DL5073-2000《水工建筑物抗震設計規范》,壩體材料在動力荷載情況下材料的抗拉強度也較靜力情況增大30%[3],同時考慮到壩體第一主應力超過抗拉強度的范圍很小,屬于應力集中的現象,故壩體在地震作用下,強度滿足規范要求。

3.2 抗滑穩定分析和評價

在特殊荷載組合Ⅱ下,將動力分析反應譜法計算所得的動力分析結果與大壩在正常蓄水工況下靜力分析成果進行疊加,可得到大壩在地震作用下的壩體位移和應力,據此對大壩進行深、淺層抗滑穩定性分析和評價。

3.2.1 壩基面抗滑穩定分析和評價

在正常蓄水工況下計算得到壩體在靜荷載作用下的應力場,同時用振型分解反應譜法計算得到了壩體在地震作用下動應力的分布,現在按照對壩體穩定最不利的原則,將靜力和動力計算所得的應力場進行疊加,得到地震作用下壩體的應力分布。由此,計算出建基面上全部豎直向荷載和水平向荷載,代入抗剪斷強度公式[4],可計算得到壩基面上的抗滑穩定安全系數,即

式中:∑W為作用于建基面上的力在豎直向投影的代數和;∑P為作用于建基面上的力在水平向投影的代數和;U為作用于建基面上的揚壓力;f′和c′為建基面上的抗剪斷摩擦系數和凝聚力;A為建基面的受力面積。

經計算得,K′=4.08。對于特殊荷載組合Ⅱ,規范要求的最小安全系數為2.30,因此該大壩沿壩基面的抗滑穩定安全系數滿足規范要求。

3.2.2 深層抗滑穩定分析和評價

基于強度儲備法[4,5]理論,對溢流壩段進行強度儲備計算分析,以得到該壩段的深層抗滑穩定安全度。根據地質條件,主要關注壩基淺層部位巖體的穩定性情況,模型中壩體部分作為線彈性材料,壩基巖體作為彈塑性材料,對壩基下一定范圍內的基巖進行等比例強度折減。按照等比例對壩基巖體的強度進行折減。計算各折減系數K(即強度儲備系數)條件下壩基和壩體的應力,并分析塑性區的變化情況。圖3為折減系數K=7.3時對應的壩基塑性區分布。計算結果表明,強度儲備系數K與壩基屈服區的分布具有良好的對應關系,隨著K的增大,基巖強度不斷減小,屈服區面積擴大[6]。壩踵區域最先出現拉剪破壞,塑性區逐步向深部擴展,當屈服區發展到一定范圍,導致壩體失穩。

圖3 折減系數K=7.3時對應的壩基塑性區分布

當K超過7.3以后,有限元迭代計算不再收斂。因此認為該壩段的強度儲備系數達到7.3,該值遠大于壩基面的抗滑穩定安全系數,說明在地震荷載作用下壩基巖體產生深層滑動的可能性極小,因此對于壩體的抗滑穩定只需考慮淺層的抗滑穩定。

4 壩基巖體變形的影響分析

在計算時考慮壩基巖體在自重作用下的應力和變形。首先計算基巖在自重作用下的應力與變形,保存計算所得的初始應力文件,然后考慮其它工況,建壩以后的各工況均先加載壩基初始應力文件,再施加相應荷載進行計算,初始應力文件中只有應力項,不計位移項,即認為基巖在自重作用下的變形早已完成。

在非線性有限元計算中,壩體自重、水壓力、揚壓力、淤沙壓力、地震作用在加載基巖自重后逐級施加。由于壩基巖體是變形體,而上述各種荷載在壩基面產生的附加應力不同,因此,它們對壩基巖體變形的影響也不同。在彈塑性狀態下,非線性有限元法計算的壩基變形和應力受加載路徑的影響較大,因此,不同的加載順序、不同的荷載增量也都影響壩基巖體的應力場,從而也影響壩基的深層抗滑穩定性。對于本工程,基巖自重、壩體自重、水壓力、揚壓力、淤沙壓力、浪壓力和地震作用各荷載的加載順序基本明確,所不同的僅是各級增量的大小。這里比較了加載率分別為0.1和0.2的兩種情況,所得的壩基深層抗滑穩定安全系數分別為7.3和7.2,兩者差別不大,且塑性連通區和滑動面也基本一致,因此,在考慮了壩基巖體的變形后,不同的加載方式對穩定性計算成果的影響較小。

采用材料力學法計算時,壩基深層抗滑穩定是按剛體極限平衡法計算的,即壩基巖體是剛性體。在特殊荷載組合Ⅱ下,溢流壩段的深層抗滑穩定安全系數為6.017。

可見,考慮了壩基巖體的變形后,非線性有限元法計算的壩基深層抗滑穩定強度儲備系數大于不考慮壩基巖體變形的材料力學法計算的抗滑穩定安全系數,兩者的滑動面也有差別。

因此,壩基巖體變形對壩基深層抗滑穩定的影響是極為復雜的,它受基巖性質和應力場分布的影響很大。

5 結 語

(1)建立了碾壓混凝土重力壩溢流壩段三維有限元模型,計算獲得了特殊荷載組合Ⅱ工況下溢流壩段的應力情況。在荷載作用下,壩體的壓應力遠小于混凝土材料的抗壓強度,壩體拉應力大小也基本滿足規范要求。

(2)特殊荷載組合Ⅱ工況下運用抗剪斷強度公式核算的壩基面的抗滑穩定安全系數為4.08,滿足規范要求。應用有限元強度儲備法對壩基巖體深層抗滑穩定進行分析,計算的壩基強度儲備系數為7.3,滿足重力壩穩定性要求。

(3)比較了加載率分別為0.1和0.2的兩種加載情況,分析了壩基巖體變形的影響,該溢流壩段不同的加載方式對穩定性計算成果的影響較小。

(4)巖灘溢流壩的抗震安全性滿足規范要求。

[1]DL5073-2000.水工建筑物抗震設計規范[S].北京:中國電力出版社,2001.

[2]李圍.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

[3]沈振中,遲世春,陳 劍.混凝土面板堆石壩高趾墻動力性態計算[J].水電能源科學,2005,23(1):73-75

[4]DL5108-1999.混凝土重力壩設計規范[S].北京:中國電力出版社,2000.

[5]左東啟,王世夏,林益才.水工建筑物[M].南京:河海大學出版社,1995.

[6]王燕,沈振中,李怡芬.馬堵山溢流壩段應力變形及強度儲備系數分析[J].水電能源科學,2009,27(2):101-103.