某混凝土面板堆石壩三維有限元靜動力仿真計算研究

摘 要：以西南地區(qū)某水電站混凝土面板堆石壩為例，進行了三維有限元靜動力仿真計算，根據(jù)計算結(jié)果，對壩體和面板不同計算工況下的位移、沉降、應力分布和水平及接縫位移等情況進行了綜合分析，并對大壩基礎開挖、壩體結(jié)構(gòu)、壩頂超高、壩體變形和壩坡穩(wěn)定控制、面板應力和變形控制、面板分縫及處理措施等方面提出了建議，對大壩設計具有重要的指導意義，對同類工程也具有一定的參考價值。

關鍵詞：混凝土；面板堆石壩；三維有限元；靜動力計算

1 工程概況

西南某水電站是以發(fā)電為主，兼顧灌溉、旅游等綜合利用效益的水電樞紐工程，水庫總庫容17.74×108m3，最大壩高175.5m，裝機容量270MW。擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，按500年一遇洪水設計，可能最大洪水校核。水庫正常蓄水位675.00m，汛限水位為665.00m，設計洪水位678.21m，校核洪水位683.49m，死水位640.00m。本文介紹了該電站混凝土面板堆石壩的三維有限元動靜力有限元仿真計算過程，基于計算成果，對大壩基礎開挖、壩體結(jié)構(gòu)、壩頂超高、壩體變形和壩坡穩(wěn)定控制、面板應力和變形控制、面板分縫及處理措施等方面提出了建議，對大壩設計具有重要的指導意義，對同類工程也具有一定的參考價值。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

三維計算模型邊界底部取壩基覆蓋層底部基巖面，兩岸取至開挖面。

壩體靜力計算采用“南水”雙屈服面彈塑性模型，混凝土面板采用線彈性模型，面板周邊縫接縫材料采用連接單元模擬，垂直縫采用分離縫模型模擬。動力計算采用等價粘彈性模型。

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)壩料靜、動力試驗成果以及工程類比，確定壩料靜、動力參數(shù)。混凝土面板彈性模量、泊松比和密度分別為E=28GPa，？滋=0.167，？籽=2.40g/cm3。抗震設計地震標準取基準期100年超越概率2%（地震動峰值加速度a=0.275g），校核地震標準取基準期100年超越概率1%（a=0.328g）。接觸面模型參數(shù)、靜動力計算參數(shù)如表1-3所示。

3 靜力計算結(jié)果分析

靜力計算分別按不考慮流變和考慮流變兩種情況進行計算。計算成果如表4所示。

與不考慮流變情況相比，考慮流變時壩體和面板的變形量有明顯增加，應力分布規(guī)律相似，應力水平無明顯變化。考慮流變時壩體運行期最大沉降達到69.0cm，面板運行期最大撓度達27.2cm，與類似工程相比處于中等水平；混凝土面板拉壓應力均在允許范圍，應力變形分布符合混凝土面板堆石壩的一般規(guī)律。

面板垂直縫變形總體上河床部分壓緊、兩岸和周邊縫張開，左岸垂直縫張開量相對于右岸略大。考慮流變時接縫變位均有所增大，運行期周邊縫最大沉陷24.7mm，最大錯動31.2mm，最大張開26.0mm，垂直縫最大張開6.6mm，止水結(jié)構(gòu)和止水材料能夠適應變形。

4 動力計算結(jié)果分析

主要計算結(jié)果見表5-6。100年超越概率2%情況下，壩頂及附近下游坡區(qū)域加速度絕對值較大，堆石存在局部松動、滑落的可能性；地震情況下永久變形、震陷均不大；蓄水期地震過程中最大拉壓動應力疊加后面板壩軸向最大拉、壓應力達8.95MPa和17.40MPa，順坡向達6.11MPa和16.70MPa，河床部位面板頂部以及左右兩側(cè)面板上部發(fā)生拉裂破壞可能性較大；面板周邊縫的三向動變形最大值分別為錯動25.0mm，沉陷22.3mm，張開24.2mm，在止水結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)；地震過程中面板伸縮縫最大張開量約為10.0mm，在允許范圍內(nèi)。

100年超越概率1%較之100年超越概率2%的情況，其最大反應加速度、永久變形、面板動拉壓應力以及面板周邊縫、伸縮縫變形均略有增大，但動力反應放大倍數(shù)略有減小，存在的問題仍然是壩頂附近拉應力超過混凝土的允許值。在設計和校核地震下，大壩的設計總體滿足抗震安全性要求。

5 設計方案建議

基于上述分析結(jié)果，結(jié)合類似工程的經(jīng)驗，對大壩設計方案提出以下建議：

（1）基礎開挖

河床部位挖除0.3倍壩高范圍內(nèi)河床沖積層，將趾板置于基巖上；其余部位清除沖積層表層2～3m，其下保留作為堆石體基礎，并做好壩體的防滲處理措施。

（2）壩體結(jié)構(gòu)

加寬壩頂寬度至10m，增強大壩地震時的抗滑穩(wěn)定性；采取提高壩體上部填筑標準、加厚混凝土面板等防裂、防震措施，下游壩頂范圍邊坡加固、壩前設置可靠鋪蓋等。

（3）壩頂超高

壩頂超高考慮地震時壩體和壩基產(chǎn)生的附加沉陷和水庫地震涌浪，地震涌浪高度取值1.5m，地震附加沉陷按壩高的1%計，其值遠大于動力計算壩頂最大垂直地震永久變形值，滿足規(guī)范要求。

（4）控制壩體變形和壩坡穩(wěn)定

針對壩頂及壩頂附近下游坡區(qū)域堆石存在局部松動、滑落的可能性，設計考慮上緩下陡的壩坡形式，下游壩坡采用大塊石護坡，553m高程設一大平臺；采用漿砌石或加筋堆石等加強措施；施工期間通過增加碾壓遍數(shù)等措施，提高壩體堆石料的壓實密度，減小壩體的沉降變形。

（5）控制面板應力和變形

針對河床部位面板頂部以及左右兩側(cè)面板上部地震情況下發(fā)生拉裂破壞的可能性，設計考慮頂部以下10m、施工縫上下10m及周邊縫面板側(cè)5m范圍，均采用雙層雙向配筋，頂部加強配筋。

（6）面板分縫及處理措施

合理設置垂直縫分縫寬度和位置，不同部位采取不同的縫面處理型式：周邊縫和頂部垂直縫，加大無粘性填料尺寸；接縫采用抗震減震材料嵌縫；趾板位于山坡較陡部位時，采用過渡料填筑密實，加密加深趾板下部錨筋，加強固結(jié)灌漿。

參考文獻

[1]周偉，常曉林.高混凝土面板堆石壩流變的三維有限元數(shù)值模擬[J].巖土力學，2006，27（8）：1389-1392.

[2]沈珠江，趙魁芝.堆石壩流變變形的反饋分析[J].水利學報，1998，29（6）：1-6.

[3]付志安，鳳家驥.混凝土面板堆石壩[M].武漢：華中理工大學出版社，1993.

[4]刁志明，鄧文杰，劉良軍，等.金佛山混凝土面板堆石壩應力變形三維有限元分析[J].水電能源科學，2013（1）：61-64.

作者簡介：劉家濤（1985-），男，江蘇連云港人，工程師，主要從事水利水電工程設計、項目管理等工作。