塔林西水利樞紐攔河壩應(yīng)力及應(yīng)變分析

郭 浩

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

1 樞紐工程概況

塔林西水利樞紐位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)塔河縣境內(nèi)，黑龍江右岸支流呼瑪河中游，壩址控制流域面積10 215 km2，占呼瑪河流域面積的32.74%。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)行政區(qū)劃隸屬黑龍江省大興安嶺地區(qū)的塔河縣及呼中區(qū)。壩址座落在塔河縣境內(nèi)，下游距塔河縣城34 km。塔林西水利樞紐是一座以發(fā)電、防洪為主，兼有保護(hù)生態(tài)環(huán)境、水產(chǎn)養(yǎng)殖、深林防火和旅游等綜合利用大型水利樞紐，水庫(kù)總庫(kù)容19.66億m3，電站裝機(jī)102 MW，多年平均發(fā)電量2.45億 kW·h。水庫(kù)樞紐工程主要由攔河壩、河岸式溢洪道、引水隧洞與電站組成。

2 攔河壩結(jié)構(gòu)布置

攔河壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，由主壩和副壩構(gòu)成，主壩長(zhǎng)1 350 m，最大壩高54 m，壩頂寬7.5 m，副壩長(zhǎng)1 060 m，最大壩高10 m，壩頂寬6.0 m，攔河壩壩頂上設(shè)1.2 m高防浪墻，防浪墻頂高程為454.80 m，壩頂高程453.60 m。

主壩壩體上游坡在高程413.00 m處設(shè)2 m寬?cǎi)R道，坡比為1∶2;下游在高程417.70 m 設(shè)2 m 寬?cǎi)R道，坡比 1∶1.75，下游在高程405.00 m設(shè)排水棱體。堆石壩由上下游壩體堆石、砂礫石過(guò)渡層及瀝青混凝土心墻等組成，上游壩坡采用厚度0.4 m的干砌石護(hù)坡。壩基截水槽開(kāi)挖至弱風(fēng)化基巖，混凝土板上部與壩體瀝青混凝土心墻連接。帷幕灌漿混凝土蓋板厚度為1.0 m，寬度為6.0 m。基礎(chǔ)處理采用帷幕灌漿，灌漿孔間距1.5 m。

3 攔河壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算

攔河壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算程序采用南京水利科學(xué)院的《有效應(yīng)力法平面有限元靜力計(jì)算程序》。

堆石壩壩體連續(xù)施工，即首先連續(xù)將壩體填筑到壩頂，然后再進(jìn)行水庫(kù)的蓄水。從堆石壩建基面開(kāi)始至壩頂逐層上升，分14級(jí)荷載模擬堆石壩填筑施工進(jìn)程;在蓄水期，分5級(jí)荷載模擬水庫(kù)水位逐漸上升的過(guò)程。全部共有19級(jí)加載完成壩體填筑和蓄水，計(jì)算時(shí)每一級(jí)荷載均一次性加載，采用中點(diǎn)增量法，以便較好地模擬加載過(guò)程。

控制剖面根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、分級(jí)加載和形成單元的要求選取。計(jì)算模型網(wǎng)格剖分主要采用四邊形四節(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元，離散后生成的有限元節(jié)點(diǎn)總數(shù)為317個(gè)，單元總數(shù)為273個(gè)。

3.1 參數(shù)選擇

壩殼料、過(guò)渡料、壩基砂礫料、瀝青混凝土心墻的鄧肯E－B模型參數(shù)，參考已建工程及相關(guān)資料擬定。采用的參數(shù)見(jiàn)表1。

壩體堆石、砂礫石的密度、內(nèi)凝聚力及內(nèi)摩擦角見(jiàn)(1)中有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo);瀝青混凝土心墻的密度、內(nèi)凝聚力及內(nèi)摩擦角參考國(guó)內(nèi)同類工程選取;壩體堆石及砂礫石的鄧肯E－B模型參數(shù)參考(2)中的范圍，結(jié)合本工程選取。

表1 鄧肯E－B模型參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算工況采用竣工期、蓄水期，瀝青混凝土心墻堆石壩的變形、應(yīng)力情況。有限元計(jì)算結(jié)果等值線圖見(jiàn)圖1～8。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～3。

圖1 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體竣工期水平位移等值線

圖2 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體蓄水期水平位移等值線

圖3 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體蓄水期垂直位移等值線

圖4 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體竣工期垂直位移等值線

圖5 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體竣工期大主應(yīng)力等值線

圖6 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體蓄水期大主應(yīng)力等值線

圖7 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體竣工期小主應(yīng)力等值線

圖8 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體蓄水期小主應(yīng)力等值線

表2 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體位移、應(yīng)力計(jì)算最大值結(jié)果表

表3 瀝青混凝土心墻位移、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果最大值表

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 壩體位移

竣工期:壩體在自重作用下，壩體位移以瀝青混凝土心墻為分界線分別向上、下游變形，上游水平位移最大值為0.18 m，下游水平位移最大值為0.20 m;壩體垂直位移最大值為0.40 m，垂直變形為壩高的0.69%。

蓄水期:在水壓力作用下水平位移向上游變形區(qū)域和數(shù)值減小，最大值為0.12 m，向下游變形區(qū)域和數(shù)值增大，最大值為0.32 m。壩體垂直位移最大值減至0.38 m，垂直變形為壩高的0.65%。

3.3.2 壩體應(yīng)力

竣工期及蓄水期壩體大主應(yīng)力σ1、小主應(yīng)力σ3分布規(guī)律是從心墻向兩側(cè)逐漸減小，從壩坡向壩基逐漸增大。竣工期，壩體大主應(yīng)力σ1最大值為0.8 MPa;位于心墻附近的基礎(chǔ)砂礫石層內(nèi)。壩體小主應(yīng)力σ3最大值為0.55 MPa。

蓄水后，上游壩體受到浮力影響，壩體有效容重減少，上游壩體大主應(yīng)力σ1、小主應(yīng)力σ3均減小;下游壩體大主應(yīng)力σ1略有增大，小主應(yīng)力σ3略有減小。

3.3.3 瀝青心墻位移

竣工期，瀝青混凝土心墻的水平位移較小，最大值為僅0.004 m，心墻垂直位移最大值為0.17 m。

蓄水期，水平位移最大值增至0.16 m，位于心墻中上部，心墻垂直位移最大值略有減小，為0.13 m，均發(fā)生在心墻的中部。

3.3.4 瀝青心墻應(yīng)力

竣工期，瀝青混凝土心墻最大壓應(yīng)力為1.06 MPa，最大拉應(yīng)力為 0.63 MPa。

蓄水期，瀝青混凝土心墻最大壓應(yīng)力為1.20 MPa，最大拉應(yīng)力為 0.67 MPa。

3.4 計(jì)算結(jié)論

3.4.1 壩體

壩體沉降量與壩高的比值在允許范圍內(nèi)(1%)，竣工、蓄水期壩體壩體應(yīng)力水平均小于1，無(wú)剪切破壞單元，壩體整體穩(wěn)定。

3.4.2 瀝青混凝土心墻

蓄水期工況的心墻豎向應(yīng)力均大于靜水壓力，不會(huì)發(fā)生水力劈裂，竣工、蓄水期瀝青混凝土心墻最大壓應(yīng)力均在安全的范圍內(nèi)，心墻水平位移沿高度方向連續(xù)，說(shuō)明各部位不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)和剪切破壞。

［1］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省大興安嶺地區(qū)塔林西水利樞紐工程可行性研究報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009.

［2］朱百里，沈珠江.計(jì)算土力學(xué)［M］.上海:上海科學(xué)出版社，1990.

［3］黃河水利委員會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2001.

［4］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.SL 501—2010土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.