白鶴灘拱壩施工期壩前回填分析研究

張 石，郭傳科，王建新，顧錦健

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 概述

白鶴灘水電站樞紐由攔河壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m，壩頂厚度14.0 m。白鶴灘工程為一等大（1）型工程，工程規(guī)模巨大，擋水、泄洪、引水發(fā)電等主要建筑物均按1 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)[1]。

為改善白鶴灘壩體施工期運(yùn)行條件和保護(hù)上游壩面，加強(qiáng)基坑上游基巖裂隙保護(hù)，避免上游圍堰拆除及基坑進(jìn)水過(guò)程對(duì)大壩上游面造成破壞和損傷，在上游圍堰拆除前，對(duì)白鶴灘大壩上游高程600 m 以下基坑進(jìn)行清基回填處理。大壩壩前回填區(qū)左岸、右岸及河床高程575 m 以下為玄武巖地基，巖性包括第一類柱狀節(jié)理玄武巖、角礫熔巖、塊狀玄武巖[2]，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度在74 MPa 以上，承載力可滿足要求。河床回填區(qū)高程575 m 以上地基為圍堰堰體，下部為沖積砂卵礫石，可以作為回填渣體的地基。本文利用大型三維有限元ANSYS 軟件對(duì)白鶴灘拱壩施工期不同澆筑高程壩前回填組合工況下的拱壩應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。

2 施工期壩前回填目的

白鶴灘大壩上游施工期回填區(qū)域主要為上游圍堰與大壩間高程600 m 以下范圍，主要包括混凝土回填壩前底部集水坑，靠近壩面2 m 的范圍采用保護(hù)料（最大粒徑不超過(guò)2 mm）回填，其余部位采用石渣料及細(xì)砂料進(jìn)行回填。壩前回填的主要作用為：

（1）蓄水后有利于提高壩踵區(qū)上游壩面溫度，改善運(yùn)行期壩體應(yīng)力。根據(jù)工程相關(guān)研究結(jié)果可知，考慮壩前淤沙后的地?zé)醾鲗?dǎo)作用，壩前庫(kù)底水溫能明顯提高，進(jìn)而提高壩踵部位壩體溫度。

（2）壩踵前一定范圍巖體由細(xì)顆粒覆蓋，在形成滲流場(chǎng)時(shí)，細(xì)顆粒帶入近壩區(qū)巖體裂隙，能起到封堵作用，改善拱壩蓄水后上游坡面及河床壩基的滲流條件[3]。針對(duì)壩前多條斷層、錯(cuò)動(dòng)帶，相互連通性好，通過(guò)填筑細(xì)顆粒封閉，可鞏固壩基的防滲效果，延長(zhǎng)滲徑，對(duì)壩基的穩(wěn)定有一定的加強(qiáng)作用。

（3）通過(guò)在600 m 高程以下預(yù)先施加回填壓力，蓄水前基坑充水后可提供上游面水壓效果，對(duì)改善拱壩倒懸應(yīng)力有利。

（4）施工期的及時(shí)回填，可封閉開(kāi)挖基巖面，回填混凝土可改善大壩上游河床壩基柱狀節(jié)理玄武巖的卸荷松弛回彈變形。

3 壩前回填對(duì)大壩的受力影響分析

3.1 單壩段懸臂狀態(tài)受力影響分析

3.1.1 計(jì)算條件

為研究合適的回填時(shí)機(jī)，并兼顧白鶴灘大壩蓄水要求，結(jié)合大壩施工進(jìn)度安排，分別按照大壩澆筑至高程650 m、682 m、703 m 三個(gè)不同高程分析回填施工對(duì)拱壩應(yīng)力狀態(tài)的影響，研究主要工況如下：

工況1：僅考慮梁向自重；

工況2：考慮梁向自重及壩前回填至高程600 m。

工況3：考慮梁向自重、壩前回填至高程600 m 及蓄水至600 m。

選取18 壩段（拱冠梁壩段）為典型壩段，并考慮基礎(chǔ)灌漿廊道及排水廊道影響，建立有限元模型見(jiàn)圖1，計(jì)算采用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 有限元模型計(jì)算網(wǎng)格

表1 主要材料力學(xué)參數(shù)

3.1.2 計(jì)算結(jié)果

各工況下壩體特征應(yīng)力值見(jiàn)表2，廊道頂拱應(yīng)力見(jiàn)表3，澆筑高程682 m 及703 m 廊道部位的應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖2～圖4。

表2 各工況下壩體特征應(yīng)力值（單位：MPa）

表3 各工況下廊道頂拱第一主應(yīng)力（單位：MPa）

由表2 可以看出，大壩在三個(gè)不同澆筑高程下，上游回填對(duì)壩踵豎向最大壓應(yīng)力極值分別由9.16 MPa、12.6 MPa、14.7 MPa 減小到7.44 MPa、11.2 MPa、13.3 MPa；壩趾豎向最大壓應(yīng)力極值分別由1.82 MPa、1.55 MPa、1.36 MPa 增大到3.01 MPa、2.73 MPa、2.55 MPa。

不同澆筑高程下壩前回填及蓄水的兩種工況下對(duì)壩體施工期自重產(chǎn)生的應(yīng)力具有一定的改善作用，主要體現(xiàn)在壩踵壓應(yīng)力減小，壩趾壓應(yīng)力有所增加，進(jìn)而減小拱壩倒懸的不利影響。

由表3 及圖2～圖4 分析基礎(chǔ)廊道周圍拉應(yīng)力情況可以看出，回填前拱壩處于懸臂倒懸狀態(tài)，廊道頂拱均為受拉狀態(tài)，當(dāng)考慮壩前填渣作用后，廊道頂拱拉應(yīng)力得到明顯改善。

圖2 工況①廊道頂拱第一主應(yīng)力（單位：Pa）

圖3 工況②廊道頂拱第一主應(yīng)力（單位：Pa）

圖4 工況③廊道頂拱第一主應(yīng)力（單位：Pa）

3.2 拱壩施工期整體有限元應(yīng)力分析

3.2.1 計(jì)算條件

計(jì)算選取白鶴灘大壩施工期實(shí)際施工進(jìn)度情況：拱壩最大澆筑高程682 m，封拱灌漿至高程610 m。計(jì)算中模擬拱壩澆筑過(guò)程，考慮梁效應(yīng)-拱效應(yīng)對(duì)拱壩自重應(yīng)力的影響，即封拱灌漿前拱壩荷載由梁承擔(dān)，封拱后拱壩荷載由拱梁同時(shí)承擔(dān)，以此真實(shí)模擬拱壩自重荷載，研究主要工況如下：

工況1：僅考慮梁向自重；

工況2：考慮梁向自重及壩前回填至高程600 m；

工況3：考慮梁向自重、壩前回填至高程600 m 及蓄水至600 m。

拱壩三維有限元計(jì)算模型采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元剖分，沿壩高方向單元按3 m 一層控制，沿壩厚方向劃分6層單元，拱壩劃分單元總數(shù)為80036，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為97156。拱壩整體模型見(jiàn)圖5，計(jì)算采用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 拱壩整體模型

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

選取最高壩段19# 壩段的計(jì)算成果進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6～圖8，其中圖中壩段上緣為封拱灌漿完成高程，即610 m。

表4 各工況下壩體特征應(yīng)力值（單位：MPa）

圖6 19#壩段工況①應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖7 19#壩段工況②應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖8 19#壩段工況③應(yīng)力分布（單位：Pa）

壩前石渣回填前，在拱壩自重作用下該壩段豎向受壓，其中壩踵豎向壓應(yīng)力達(dá)到約12.3 MPa，壩趾豎向壓應(yīng)力為1.17 MPa；從主拉應(yīng)力分布看，除壩踵拉應(yīng)力集中外，580 m 高程以上區(qū)域壩體出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約0.19 MPa，其中下游面拉應(yīng)力出現(xiàn)在590 m 高程附近，壩趾未出現(xiàn)拉應(yīng)力；最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩踵，約13.5 MPa，壩趾最大主壓應(yīng)力約1.47 MPa。

壩前回填石渣后，拱壩豎向受壓，壩踵豎向壓應(yīng)力得到改善，減小約0.5MPa，壩趾豎向壓應(yīng)力基本保持不變；從主拉應(yīng)力分布看，該壩段拉應(yīng)力區(qū)域較石渣回填前有所減小，拉應(yīng)力值也有所降低，最大拉應(yīng)力約0.13 MPa，下游面及壩趾未出現(xiàn)拉應(yīng)力；壩踵最大主壓應(yīng)力減小約0.9 MPa，壩趾最大主壓應(yīng)力增大約0.12 MPa。

進(jìn)一步蓄水后，拱壩豎向仍受壓，其中壩踵豎向壓應(yīng)力約11.7 MPa，壩趾豎向壓應(yīng)力為1.18 MPa；從主拉應(yīng)力分布看，該壩段拉應(yīng)力區(qū)域較蓄水前進(jìn)一步減小，但減小幅度有限，最大拉應(yīng)力約0.12 MPa，下游面及壩趾未出現(xiàn)拉應(yīng)力；壩踵及壩趾最大主壓應(yīng)力相較蓄水前變化不大。

從拱壩整體三維有限元計(jì)算分析結(jié)果看，當(dāng)拱壩最大澆筑高度達(dá)到682 m 并完成高程610 m 封拱灌漿的情況下，壩前回填石渣及蓄水至600 m 高程能夠改善壩踵及壩趾受力條件，降低施工期壩體拉應(yīng)力范圍及拉應(yīng)力極值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從白鶴灘拱壩二維單壩段懸臂狀態(tài)及三維施工期整體狀態(tài)，分析得到白鶴灘拱壩施工期不同澆筑高程壩前回填組合工況下的拱壩應(yīng)力狀態(tài)，主要結(jié)論及建議如下：

（1）壩前回填使得壩踵前一定范圍巖體由細(xì)顆粒覆蓋，針對(duì)壩前多條斷層、錯(cuò)動(dòng)帶，相互連通性好，通過(guò)填筑細(xì)顆粒封閉，可鞏固壩基的防滲效果，延長(zhǎng)滲徑，對(duì)壩基的穩(wěn)定有一定的加強(qiáng)作用。

（2）對(duì)澆筑過(guò)程中回填對(duì)大壩的受力影響計(jì)算分析，壩前回填及蓄水的兩種工況下對(duì)壩體施工期自重產(chǎn)生的應(yīng)力具有一定的改善作用，主要體現(xiàn)在壩踵壓應(yīng)力減小，壩趾壓應(yīng)力有所增加，減小拱壩倒懸的不利影響。同時(shí)可改善廊道頂拱拉應(yīng)力水平。

（3）根據(jù)分析成果，從施工期壩體應(yīng)力情況看，宜盡早開(kāi)展壩前回填施工，對(duì)于相似工程具有一定參考價(jià)值。

（4）壩前回填非臨時(shí)措施，而是永久措施，回填前應(yīng)按規(guī)定執(zhí)行工程相關(guān)驗(yàn)收，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。