老鷹巖電站面板堆石壩應力應變及穩定計算分析

李 勝 東

(四川省內江水利電力建筑勘察設計研究院，四川 內江 641000)

1 工程概述

老鷹巖電站工程位于涼山州會理縣六華河下游，屬六華河規劃的第4級，為混合式開發電站，電站裝機24 MW，具有不完全年調節性能，電站工程任務為發電和生態保護。電站由首部樞紐、引水系統和電站廠區三部分組成。其中大壩采用鋼筋砼面板堆石壩，壩頂高程為1 789.00 m，最大壩高66 m，壩頂長173 m，大壩上游坡采用30～50 cm厚C30鋼筋砼面板防滲，面板底部與鋼筋砼趾板連接，趾板再同砂卵石基礎中的砼防滲墻連接。

2 地形地質條件

壩軸線方向為N41°E，地形坡度較陡，巖層走向與壩軸線夾角為2°。

壩基兩岸表層局部出露厚約0～0.5 m的殘坡積層(Q4el+dl)、由全風化白云巖碎屑及碎塊石組成；壩基河床為第四系沖積層(Q4al)含砂漂卵礫石或砂卵礫石層，厚約40.0 m，透水性強。據鉆探及物探資料顯示河床沖積層共分四層：第一層厚6.0～10.0 m，結構松散～稍密狀，承載力標準值200～300 kPa，分布高程1 718.65 m以上，以漂石、卵石及中粗砂粒組成，漂卵礫石含量占70～80%，其中漂石含量達15%以上；第二層厚約5.0 m，結構中密～密實狀，承載力標準值550～650 kPa，分布高程1 713.80～1 718.65 m之間，以卵、礫石及中粗砂粒組成，其中砂粒含量達30%，漂石含量極少，級配良好，強度較高；第三層厚約7.0 m，結構稍密～中密狀，承載力標準值為300～400 kPa，分布高程1 707.99～1 713.80 m之間，以砂夾卵、礫石組成，其中砂粒含量達40%，漂、卵石含量較少，骨架顆粒偏少，強度偏低；第四層厚約18.0 m，結構中密～密實狀，承載力標準值為650～800 kPa，分布高程1 689.38～1 707.99 m，砂粒含量占20～25%，漂、卵石含量偏多，其中漂石含量明顯增多，據鉆探揭露漂石粒徑可達700 mm以上。下伏震旦系燈影組下段(Zbd1)白云巖。河床段強風化層厚0.50～1.80 m，巖芯脆硬，呈碎塊狀，弱風化～微風化巖體較完整，透水性弱～微；岸坡段強風化卸荷帶厚12.0～17.0 m，水平寬8.0～10.0 m，裂隙極其發育，巖芯破碎；弱風化卸荷帶厚30.0～33.00 m，裂隙較發育，巖芯呈短柱狀，局部呈長柱狀；壩基微風化～新鮮基巖，巖體完整。

兩壩肩平緩臺地零星分布第四系殘坡積層(Q4el+dl)灰黃色粉土、砂土夾灰巖塊碎石，厚0.0～0.60 m。大部分裸露震旦系燈影組下段(Zbd1)白云巖，產狀為：走向N43°E，傾向S47°E，傾角85°，左壩肩強風化卸荷帶厚約13.0 m，弱風化卸荷帶厚約30.0 m，強風化卸荷帶水平寬度為8.0～10.0 m；右壩肩強風化卸荷帶厚約18.0 m，水平寬度為13.0～20.0 m，弱風化卸荷帶厚約36.0 m。同時左壩肩在高程1 732.55 m～1 749.30 m存在約17 m厚的破碎帶，右壩肩在高程1 760.45 m～1 765.41 m存在約5 m厚的破碎帶。

3 計算分析方法

由于該工程面板堆石壩基礎為深厚覆蓋層，且趾板也置于砂卵石層上，為給面板堆石壩周邊縫、壩體應力應變及壩坡穩定提供設計依據，確保大壩安全可靠，設計進行了二維應力應變及壩坡穩定計算分析工作。計算分析確定的大壩剖面見下圖。

3.1 非線性有限元計算

3.1.1 計算模型

鄧肯的E-B模式按下列公式計算切線楊氏模量和體積模量：

Et=K(σ3)n(1-S1)2

(1)

Kt=Kb(σ3)m

(2)

其中S1=Rf(σ1-σ3)/2τf

(3)

Rf=(σ1-σ3)f/(σ1-σ3)ult

(4)

τf為抗剪強度，K、Kb、m、n、Rf是五個計算參數。模式規定抗剪強度用下式計算：

τf=SINφ×σ3

(5)

φ=φ0-Δφlgσ3

(6)

φ0是σ3=0.1 MPa時的內摩擦角。通過常規三軸剪切試驗可測定K、Kb、m、n、Rf、、φ0、Δφ7個參數。

程序規定卸荷時切線楊氏模量按下式計算：

Eur=Kur(σ3)nur

(7)

其中Kur為卸荷模量參數。卸荷準則為當前應力水平小于歷史上最大值的95%,E按(7)式計算，否則，Et按(1)式計算。程序規定施工期一律按加荷模量計算，蓄水期按上述準則判別加荷或卸荷，卸荷單元按式(7)計算楊氏模量。根據有關文獻資料，Kur=2K，nur=n。鋼筋混凝土采用線彈性材料模型。

3.1.2 計算方法與邊界條件

為了模擬壩體填筑過程中荷載隨著填筑高度增長的特性，計算采用中點增量法來解非線性方程組，將非線性問題轉化為分段線性問題來求解。

壩體填筑及建成蓄水會引起較大的壩基變形，所以，以向上下游各切取0.5倍壩高、覆蓋層以下基巖與壩體共同構成計算剖面。基巖底面為應力及位移固定邊界，壩基上下游約束邊線為固定位移邊界垂直向允許自由變形，整個壩體表面作為自由邊界。計算程序采用經水規總院鑒定的TOSS應力應變計算程序。

有限單元網格以四邊形等參單元作為基本單元，面板壩計算剖面單元剖分見上圖，面板壩劃分單元305個，節點379個，加荷級數為16級。

3.1.3 計算參數選取

由于筑壩料的母巖巖性、原型級配及填筑密度等條件的不同，因而它們的力學性質及應力應變參數存在差異。根據現有的試驗成果用于應力應變有限元計算分析的各種材料參數列于表1。

3.1.4 施工過程模擬

為使計算結果更接近壩體、壩基應力應變的真實情況，計算模擬施工分期填筑、分期蓄水的加載方式，針對面板壩斷面計算一期蓄水(度汛)、竣工期、正常水位情況下的應力、應變。

3.2 穩定計算

采用經水規總院鑒定的SCSA當地材料壩邊坡穩定計算程序。在上游壩坡計算中不考慮面板對穩定的有利影響，只計其防滲作用。設防地震烈度為7度。計算參數見表2。

表1 壩料 E～B模型參數及非線性強度參數計算取值

注：混凝土模量K=20 GPa，泊松比0.2，容重2.40。

4 計算成果及分析

表2 計算參數指標表

注：1.主次堆石料因其c值不穩定，采用1/5倍均值，三軸試驗的Φ值，采用0.9倍均值。

2.混凝土防滲墻、趾壩僅計其防滲作用，對穩定的有利影響作為安全儲備考慮。

表3 面板壩二維有限元計算特征值

4.1 應力應變有限元計算分析

面板壩壩體在一期蓄水、竣工期、正常蓄水期垂直沉降最大值58.0 cm，發生在正常蓄水期壩軸線附近1/3～1/2壩高處，因水荷載作用于面板且度汛斷面已經蓄水，壩體經進一步固結變形，后期蓄水引起附加垂直沉降較小，蓄水荷載對垂直沉降等值線分布改變小。壩體在一期蓄水、竣工期、正常蓄蓄水期水平位移向上游最大值為7.2 cm，水平位移向下游最大值為39.0 cm。計算成果見表3。

表4 鋼筋混凝土面板、防滲墻計算成果特征值

面板壩壩體在一期蓄水、竣工期、正常蓄水期大主應力、相應小主應力最大值分別為1.259 MPa、0.485 MPa，發生在正常蓄水期，正常蓄水期大小主應力最大值出現在壩底中部，因鋼筋混凝土面板模量高，面板出現應力集中現象，但面板未出現拉應力。壩體局部出現塑性破壞單元，但并未連成片。在上述各工況下，壩基最大沉降量為31.8 cm，僅為覆蓋層厚度的0.7%左右，因此，砂卵石作為壩基不會引起壩體過大沉降變形。壩基最大大主應力1.761 MPa，防滲墻最大大主應力14.13 MPa，均未出現拉應力。面板壩一期蓄水、竣工期、正常蓄水期最大擾度為27.0 cm，出現在2/3壩高附近，周邊縫最大剪切位移2.7 cm，最大垂直沉降7.8 cm,面板最大壓應力為20.36 MPa。由于壩基為深厚覆蓋層，加之壩料模量偏小，周邊縫最大剪切位移、最大垂直沉降量偏大。成果見表4。

3.2 穩定計算成果

度汛斷面、主壩全斷面在各種工況下均滿足規范對三級建筑物穩定安全系數要求。計算成果見表5、表6。

5 結論和建議

表5 度汛斷面穩定計算安全系數

表6 主壩全斷面穩定計算安全系數

通過對老鷹巖面板堆石壩的應力應變和穩定計算分析，可以得出以下幾點結論及建議：

(1)面板壩壩基、壩體應力應變計算模擬施工分期填筑、分期蓄水，計算成果符合一般規律，成果的規律性及趨勢可信。

(2)面板壩因分期填筑、分期蓄水，出現較大的向下游的水平位移，壩體水平位移等值線沿下游壩坡呈“扁平”狀分布，面板未出現拉應力、防滲墻亦未出現拉應力。

(3)由于壩基為深厚覆蓋層，加之壩料模量偏小，周邊縫最大剪切位移、最大垂直沉降量偏大。面板壩的主要工程問題是壩體變形以及隨之而來的接縫張開和面板斷裂而導致大量滲漏，變形問題，特別是對周邊縫變形的控制已成為面板壩設計的核心問題。本面板壩須選用能適用大變形的止水材料、止水結構，并做好分縫止水設計和施工。

(4)通過穩定計算分析，度汛斷面、主壩全斷面在各種工況下均滿足規范對三級建筑物穩定安全系數要求。

(5)通過試驗資料分析可以發現，試驗控制密度較低，壩料孔隙率均在《混凝土面板堆石壩設計規范》((SL228-98)規定的下限，致使壓縮

模量偏低，鄧肯模型參數中K、Kb偏低，面板壩對變形極為敏感，為保證大壩的安全，建議提高其壓實度，通過試驗提高K、Kb等模量參數。

(6)混凝土防滲墻與面板結合部位的是覆蓋層上建造面板壩的關鍵技術，必須做好結合部位的止水，以防止產生集中滲漏。應合理選擇面板施工時間，在壩體填筑半年后進行，以改善面板和止水設施工作條件。

(7)因大壩所處地形為“V ”形河谷，兩壩肩對壩體有一定拱效應，須做好垂直縫設計，尤其是兩岸的張性縫設計。

(8)通過計算分析，說明在深厚覆蓋層，尤其是砂卵石層上建面板堆石壩是可行的，但應著重處理好壩體、壩基、趾板及面板的穩定、應力及變形問題，以及采取相應的基礎處理設計和細部結構設計。