某拱壩基礎墊座方案優化研究

陳渴鑫，盧曉春，陳博夫，熊勃勃，陳玉璽

(三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

1 工程概況

某壩址為不對稱的極狹窄“V”形河谷，兩岸巖石裸露，巖性堅硬；河床寬約2.4 m，壩頂高程655.50 m處河谷寬約45 m；左岸較陡，644.00 m高程左右以下邊坡坡比1∶0.11左右，以上邊坡坡比1∶0.4 左右，上下邊坡突變較大，685.00 m高程以上邊坡則很平緩；右岸也較陡，658.00 m高程以下邊坡坡比1∶0.32左右，以上邊坡坡比1∶0.98左右，上下邊坡突變較大；壩頂寬高比0.46∶1。但由于拱壩地形條件的限制，對于無法成拱的部分，工程中通常采用設置基礎墊座的方式來提高拱壩的穩定性，因此，該工程底部修建基礎墊座來改善地形的缺點。

對于拱壩修建基礎墊座有很多先例可以借鑒，如白鶴灘拱壩為適應左岸不利地質條件而修建墊座[1]；蓋下壩水電站壩址處河谷為狹窄的V形河谷，為此在壩基處設置墊座[2]；李家峽拱壩河床部位存在對壩體應力不利的斷層，因此在河床軟弱區上設置墊座[3]；錦屏一級拱壩壩址處河道順直而狹窄，為典型的深切V形峽谷，并且左岸存在斷層及層間擠壓帶，故在左岸壩肩修建墊座[4]。但是由于地形條件不同的影響，墊座對拱壩的應力及穩定性影響存在較大差異[5- 6]，故需考慮墊座設置的合理性。

國內外對拱壩基礎墊座參數的研究較少，一些早期的研究主要集中在對墊座拱壩的靜動力應力分析；后來對墊座的穩定性研究較多，如：潘元煒通過分析白鶴灘墊座對壩體的影響及墊座自身的穩定性后找到了最優的墊座設計方案[7]；馮繼軍通過分析墊座穩定及應力后對蓋下壩拱壩墊座進行了優化設計[8]；張肖對錦屏大墊座進行了穩定性分析[9]，但對墊座的材料、體形的研究甚少，因此，本文以拉應力、壓應力為判斷依據對墊座進行優化，通過對比分析找出最優方案。

2 優化參數及方案

圖1 墊座參數示意(高程：m)

3 計算結果分析

為了具體分析不同墊座參數對壩體和墊座自身的應力影響，計算3種方案的最大應力值及其發生位置，如表1所示。由表1可以看出，最大拉應力一般發生在上游面，最大壓應力一般發生在下游面，最大值基本都發生在壩肩、壩踵、壩趾及墊座底面處，因此選取左壩肩、右壩肩、壩踵、壩趾及墊座底面特征點進行分析。

表1 壩體及墊座應力特征值

3.1 K1敏感性分析

墊座的彈性模量對壩體應力的影響見圖2。

圖2 墊座的彈性模量對壩體應力的影響

由圖2可知：增加墊座區域的彈性模量有利于降低壩體的拉應力，增加壩體的壓應力；墊座彈性模量的提高對壩肩及壩踵處的拉應力改善較為明顯，對墊座底面的拉應力影響不大。

增加墊座的彈性模量，壩肩部位的拉應力顯著降低，這是由于墊座彈性模量的提高減小了墊座自身的沉降量，從而降低了壩肩部位的豎向應變，故壩肩部位的拉應力降低，壓應力增加。

3.2 K2敏感性分析

墊座的高度對壩體應力的影響見圖3。

圖3 墊座的高度對壩體應力的影響

由圖3可知：K2為0.3時拉應力最小，壓應力最大，這種情況對壩體及墊座自身的應力最為有利；當K2<0.3時，隨著墊座高度的增加特征點的拉應力降低，壓應力增加；當K2>0.3時，隨著墊座高度的增加特征點的拉應力增加，壓應力降低。

墊座高度較低時，對壩體的應力是不利的，這是由于河谷下部較為狹窄，壩體底部無法成拱，壩體所受的水推力無法傳到兩岸，破壞了拱壩的整體結構；隨著墊座高度的增加，逐漸恢復拱壩的整體性，因此壩體及墊座自身的拉應力在逐漸地降低，壓應力增加；當壩體的整體性完全恢復時，壩體及墊座自身的拉應力最小，壓應力最大，隨后再增加墊座的高度就會使得拉應力增加，壓應力降低。

3.3 K3敏感性分析

墊座的厚度對壩體應力的影響見圖4。

圖4 墊座的厚度對壩體應力的影響

由圖4可知：從整體上看，當K3=1和K3=2時，壩踵的拉應力值較大，壩趾的壓應力值相對較小；左壩肩的應力值變化幅度較小；當K3=1.5時特征點的應力結果較好。

當墊座的厚度與壩體底部厚度一致時，墊座無法較好地抵消壩踵的拉應力，因此壩踵的拉應力較大；墊座厚度的變化不會影響壩肩的受力情況，因此對壩肩的應力結果幾乎沒有影響。

3.4 推薦方案

對比以上3種敏感性分析可知，在一定范圍內墊座彈性模量越大、墊座高度與壩體總高度之比在0.25～0.35范圍內、墊座厚度與壩體底部厚度之比在1.4～1.6范圍內時，對壩體及墊座自身的應力最有利。出于對工程安全性、經濟性的雙重考慮，推薦方案為：一般情況下，K1取2.5，K2取0.3，K3取1.5。

4 結 論

通過ABAQUS軟件對墊座設置不同材料參數以及建立不同的三維數值模型，并對壩體及墊座做應力分析，得到以下結論：

(1) 拱壩修建基礎墊座時，應合理選擇墊座參數，本文中選取分析的彈性模量、高度及厚度3種參數具有合理性。

(2) 通過計算得到的規律為，在一定范圍內，隨著墊座與壩體彈性模量的增大，壩體及墊座自身的應力逐漸降低；隨著墊座與壩體總高度之比的增大，壩體及墊座自身的應力先降低，當高度比值達到0.3時，壩體及墊座自身的應力值逐漸增大；隨著墊座與壩體底部厚度之比地增大，壩體及墊座自身的應力先降低，當厚度比達到1.5后，壩體及墊座自身的應力值再次逐漸增大。