塔林西水利樞紐攔河壩應力及應變分析

郭 浩

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，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塔河縣境內，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%。項目建設區行政區劃隸屬黑龍江省大興安嶺地區的塔河縣及呼中區。壩址座落在塔河縣境內，下游距塔河縣城34 km。塔林西水利樞紐是一座以發電、防洪為主，兼有保護生態環境、水產養殖、深林防火和旅游等綜合利用大型水利樞紐，水庫總庫容19.66億m3，電站裝機102 MW，多年平均發電量2.45億 kW·h。水庫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 攔河壩結構布置

攔河壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，由主壩和副壩構成，主壩長1 350 m，最大壩高54 m，壩頂寬7.5 m，副壩長1 060 m，最大壩高10 m，壩頂寬6.0 m，攔河壩壩頂上設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2 m寬馬道，坡比為1∶2;下游在高程417.70 m 設2 m 寬馬道，坡比 1∶1.75，下游在高程405.00 m設排水棱體。堆石壩由上下游壩體堆石、砂礫石過渡層及瀝青混凝土心墻等組成，上游壩坡采用厚度0.4 m的干砌石護坡。壩基截水槽開挖至弱風化基巖，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。基礎處理采用帷幕灌漿，灌漿孔間距1.5 m。

3 攔河壩應力應變計算

攔河壩應力應變計算程序采用南京水利科學院的《有效應力法平面有限元靜力計算程序》。

堆石壩壩體連續施工，即首先連續將壩體填筑到壩頂，然后再進行水庫的蓄水。從堆石壩建基面開始至壩頂逐層上升，分14級荷載模擬堆石壩填筑施工進程;在蓄水期，分5級荷載模擬水庫水位逐漸上升的過程。全部共有19級加載完成壩體填筑和蓄水，計算時每一級荷載均一次性加載，采用中點增量法，以便較好地模擬加載過程。

控制剖面根據結構的特點、分級加載和形成單元的要求選取。計算模型網格剖分主要采用四邊形四節點等參數單元，離散后生成的有限元節點總數為317個，單元總數為273個。

3.1 參數選擇

壩殼料、過渡料、壩基砂礫料、瀝青混凝土心墻的鄧肯E－B模型參數，參考已建工程及相關資料擬定。采用的參數見表1。

壩體堆石、砂礫石的密度、內凝聚力及內摩擦角見(1)中有關物理力學指標;瀝青混凝土心墻的密度、內凝聚力及內摩擦角參考國內同類工程選取;壩體堆石及砂礫石的鄧肯E－B模型參數參考(2)中的范圍，結合本工程選取。

表1 鄧肯E－B模型參數

3.2 計算結果

計算工況采用竣工期、蓄水期，瀝青混凝土心墻堆石壩的變形、應力情況。有限元計算結果等值線圖見圖1～8。計算結果見表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力等值線

圖6 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體蓄水期大主應力等值線

圖7 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體竣工期小主應力等值線

圖8 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體蓄水期小主應力等值線

表2 瀝青混凝土心墻堆石壩壩體位移、應力計算最大值結果表

表3 瀝青混凝土心墻位移、應力計算結果最大值表

3.3 計算結果分析

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域和數值減小，最大值為0.12 m，向下游變形區域和數值增大，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 壩體應力

竣工期及蓄水期壩體大主應力σ1、小主應力σ3分布規律是從心墻向兩側逐漸減小，從壩坡向壩基逐漸增大。竣工期，壩體大主應力σ1最大值為0.8 MPa;位于心墻附近的基礎砂礫石層內。壩體小主應力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，上游壩體大主應力σ1、小主應力σ3均減小;下游壩體大主應力σ1略有增大，小主應力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，均發生在心墻的中部。

3.3.4 瀝青心墻應力

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

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

3.4 計算結論

3.4.1 壩體

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

3.4.2 瀝青混凝土心墻

蓄水期工況的心墻豎向應力均大于靜水壓力，不會發生水力劈裂，竣工、蓄水期瀝青混凝土心墻最大壓應力均在安全的范圍內，心墻水平位移沿高度方向連續，說明各部位不會產生錯動和剪切破壞。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.黑龍江省大興安嶺地區塔林西水利樞紐工程可行性研究報告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2009.

［2］朱百里，沈珠江.計算土力學［M］.上海:上海科學出版社，1990.

［3］黃河水利委員會勘測規劃設計研究院.SL 274—2001碾壓式土石壩設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［4］水利部水利水電規劃設計總院.SL 501—2010土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2010.