新疆鏨高水電站覆蓋層上泄洪沖沙閘三維有限元沉降變形計算分析

鄧理想，吳俊杰

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著經(jīng)濟發(fā)展步伐的加快以及響應“一帶一路”政策，近年來新疆水利工程建設(shè)進展迅猛，深厚覆蓋層上修建的水閘工作也逐年增多[1]。然而，復雜的不良地基條件給水利水電工程建設(shè)帶來了一定的困難[2]。本工程位于新疆葉爾羌河道，上游段下坂底河床段覆蓋層厚度達到了150m[3]，中段的阿爾塔什水利樞紐工程壩址區(qū)覆蓋層達到了94m[4]，整條河道覆蓋層一般深達也在40～70m，這種復雜的不良地基條件給工程建設(shè)帶來了一定的困難，由于深厚覆蓋層的不均勻性[5]，工程的各結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)縫不均勻沉降如果控制不好，導致結(jié)構(gòu)縫變形過大，使得止水失效，最終可能產(chǎn)生滲透破壞[6- 9]。據(jù)統(tǒng)計近40年，由于深厚覆蓋層上建筑物變形控制不當導致失事的水閘和大壩，約占失事工程的25%，另據(jù)不完全統(tǒng)計，國外建于軟基及覆蓋層上的水工建筑物，約有一半事故是由于壩基滲透破壞、沉陷太大或滑動等因素導致的[10- 13]。因此，河道段深厚覆蓋層上建筑物的變形控制成為目前設(shè)計階段研究內(nèi)容重要部分。對南疆莎車縣脫貧工作起到積極推進作用的鏨高水電站工程來說，安全運行顯得更加重要[14]。根據(jù)規(guī)范要求[15]要求，認為天然土質(zhì)地基上的閘室最大沉降量不宜超過15cm，最大沉降差不宜超過5cm。特別要注意的是，在永久縫中所采用的止水結(jié)構(gòu)，要能滿足在發(fā)生相應沉降差時仍能保證止水完好的要求。本文建立泄洪沖砂閘、連接板、防滲墻、護坦的三維有限元計算模型，覆蓋層靜力本構(gòu)采用鄧肯張E-B模型，研究閘室與連接板的剪切變形量以及水閘沉降變形情況[16- 23]。

1 工程概況

鏨高水電站是葉爾羌河干流阿爾塔什以下河段水電規(guī)劃梯級開發(fā)中的第1級電站，為引水式電站，其上游為阿爾塔什水利樞紐，下游為恰木薩水電站。鏨高水電站位于新疆喀什地區(qū)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)境內(nèi)，攔河樞紐距廠房9km，廠房距莎車縣約97km。目前工程區(qū)右岸沿現(xiàn)有道路可達莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)，霍什拉甫鄉(xiāng)現(xiàn)有道路與卡群水電站連接可至莎車縣、澤普縣；工程區(qū)左岸利用甘加特溝道路可達阿爾塔什進場道路，可至莎車縣；左右岸施工對外交通比較便利。

水庫正常蓄水位1611m，正常蓄水位相應庫容1656.1萬m3，死水位1608m，死庫容1045.1萬m3，調(diào)節(jié)庫容611萬m3，壓力前池正常水位1608.0m，電站總裝機容量185MW，多年平均年發(fā)電量5.653億kW·h，裝機年利用小時數(shù)3054h，其中主電站裝機容量180MW，多年平均年發(fā)電量5.25億kW·h，發(fā)電設(shè)計流量375.6m3/s；生態(tài)電站裝機容量5MW，多年平均年發(fā)電量0.4億kW·h，下泄生態(tài)流量41m3/s。工程等別為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。

攔河引水樞紐擋泄水建筑物洪水標準按50年一遇(P=2%、洪峰流量Q=4339m3/s)設(shè)計，500年一遇(P=0.2%、洪峰流量Q=5746m3/s)校核。主電站發(fā)電廠房按100年一遇(P=1%、洪峰流量Q=5265m3/s)設(shè)計，200年一遇(P=0.5%、洪峰流量Q=5657m3/s)校核。引水渠及渠系防洪建筑物工程按30年一遇(P=3.33%)設(shè)計，100年一遇(P=1%)校核。

工程地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，工程抗震設(shè)防類別為丙類。泄洪沖沙閘的主要任務(wù)是：①泄洪，保證攔河引水樞紐運行安全；②沖沙，確保發(fā)電引水閘和生態(tài)電站進水口門前清。布置樁號壩0+344.88m—壩0+456.58m，壩0+519.20m—壩0+533.00m。進口底板高程1595.00m，河床平均底高程為1594.5m，略高于河床底高程0.5m，以利于汛期泄洪沖沙。發(fā)電引水閘底板高程為1602.8m，生態(tài)電站進水口底板高程為1600.0m，泄洪沖沙閘底板高程較發(fā)電引水閘底板高程低7.8m，較生態(tài)電站進水口底板高程低5m，可有效防止推移質(zhì)泥沙進入各引水建筑物，利于“門前清”。且在汛期還可以泄洪排沙，保證水庫反調(diào)節(jié)庫容要求。

泄洪沖沙閘共設(shè)20孔胸墻式水閘，孔口尺寸4.0m×4.0m(寬×高)。壩0+344.88m—壩0+456.58m段共布置18孔，采用三孔一連的結(jié)構(gòu)長度為18.6m，共分為6個結(jié)構(gòu)段。壩0+519.20m—壩0+533.00m段布置2孔。閘進口底板高程1595.00m，閘頂高程1614.30m。考慮閘門啟閉空間及閘墩頂部交通等因素，閘室長度取21m，為C25、F300鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚2.0m，中墩厚1.8m，三孔一連閘室邊墩厚1.5m，兩孔一連閘室邊墩厚2.0m工程防滲系統(tǒng)大樣如圖1所示。

2 泄洪沖砂閘結(jié)構(gòu)

泄洪沖沙閘位于攔河壩上，閘底板高程為1595.00m，閘頂高程為1614.30m，共20孔，每孔設(shè)一道檢修閘門槽和一道工作閘門。檢修閘門：閘門采用下游面板，下游封水型式，懸臂輪支承，雙吊點，吊點距為3.34m。閘門門葉結(jié)構(gòu)材料采用Q235C，埋件結(jié)構(gòu)材料采用Q235B，主輪材料采用ZG310- 570。工作閘門：孔口尺寸4m×4m，設(shè)計水頭16m。設(shè)有1扇直支臂球型鉸弧形鋼閘門，閘門面板曲率半徑為8m，支鉸高度5.6m。門葉結(jié)構(gòu)和支臂材料采用Q235C；鉸鏈、鉸座材料選用ZG310- 570，鉸軸直徑φ180mm，材料為40Cr，軸承采用GEW240HFZB053- 2RS自潤滑球面滑動軸承。閘門頂水封采用一道“P”型橡皮和一道轉(zhuǎn)鉸式水封，其中轉(zhuǎn)鉸式水封設(shè)在門楣上，另一道設(shè)在門葉上。側(cè)水封采用“P”型方頭橡皮，側(cè)向設(shè)有自潤滑導向滑塊。閘門門葉結(jié)構(gòu)按運輸單元分節(jié)制造，運至工地后在現(xiàn)場拼焊成整體。埋件結(jié)構(gòu)材料采用Q235C。閘門動水啟閉，避開振動區(qū)控制開度運行，由容量為630/400kN(啟門力/閉門力)的擺動式液壓啟閉機操作，液壓缸安裝在1607.50m高程的平臺上，液壓啟閉機的控制設(shè)備(泵站、油箱、電氣設(shè)備)布置在1607.00m高程的閘頂平臺上，金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件具體數(shù)量及重量見表1。

表1 泄洪沖砂閘金屬結(jié)構(gòu)

3 基本地質(zhì)條件

鏨高壩址位于西昆侖山東部中低山區(qū)，葉爾羌河由霍斯拉甫大彎曲轉(zhuǎn)為較順直段，流向近北東向。壩址為寬“U”形河谷，左岸有Ⅰ—Ⅳ級階地分布，Ⅰ、Ⅲ級階地分布不連續(xù)，Ⅱ、Ⅳ級階地分布相對而言較連續(xù)，總體坡度在30°～35°，地形相對較緩。右岸為一北東向延伸的基巖山梁，岸坡自然坡度45°～55°。現(xiàn)代河床500m左右，發(fā)育漫灘、心灘。河床覆蓋層為第四系沖積砂卵石，最大厚度55m為深厚砂礫石覆蓋層，主要為砂卵礫石層夾有多層缺細粒充填卵礫石(強滲層)，為強透水層。

4 有限元計算模型

根據(jù)規(guī)范要求，水閘地基在各種運用情況下均應滿足承載力、穩(wěn)定和變形的要求。水閘地基計算應根據(jù)地基情況、結(jié)構(gòu)特點及施工條件進行。同時，土質(zhì)地基允許最大沉降量和最大沉降差應以保證水閘安全和正常使用為原則。由于本工程的泄洪沖砂閘位于深厚覆蓋層上，閘室屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的二維計算無法準確反應閘室的自重與重心對覆蓋層壓力及最大沉降的影響，同時無法考慮混凝土結(jié)構(gòu)與覆蓋層之間的接觸作用。本次僅計算竣工期、正常蓄水期上2個工況下三維閘室自重+金屬結(jié)構(gòu)自重對覆蓋層基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降變形量。

4.1 泄洪閘幾何模型建立及網(wǎng)格剖分

本工程閘室三維有限元網(wǎng)格模型如圖2—3所示，結(jié)點總數(shù)為20688個，單元總數(shù)為14887個。護坦結(jié)點總數(shù)為1806個，單元總數(shù)為1220個，防滲墻結(jié)點總數(shù)為2184個，單元總數(shù)為1500，以上所有結(jié)構(gòu)除鋼閘門為殼單元，其余均為六面體實體單元。模型覆蓋層底部全約束，順水流、垂直水流面均為法向約束。

4.2 計算工況及荷載組合

為了更好的模擬閘室在各個工況時的沉降量及結(jié)構(gòu)縫的變形量，本次計算完建期考慮閘室混凝土自重+基礎(chǔ)自重+金屬結(jié)構(gòu)自重。正常蓄水工況時還需考慮混凝土與水接觸部位的壓力、基礎(chǔ)底部的揚壓力等，各個工況荷載組合見表2。施工工序模擬按照“基礎(chǔ)開挖—地應力平衡—防滲墻施工—基礎(chǔ)回填—閘室分層澆筑—金屬結(jié)構(gòu)安裝—正常運行”進行，在水閘施工過程中的變位是逐級進行疊加，地基沉降變形在逐級荷載下呈現(xiàn)出非線性特性。

表2 各個工況荷載組合

4.3 有限元計算方法及成果分析

鏨高水電站距阿爾水利樞紐工程壩址區(qū)直線距離15km左右，本工程覆蓋層為砂礫石覆蓋層，最大深度55m，屬于深厚覆蓋層。該與阿爾塔什水利樞紐工程很近，因此，覆蓋層計算參數(shù)采用阿爾塔什水利樞紐工程的大連理工大學室內(nèi)靜三軸試驗成果，見表3。同時，蓋層受閘室+金屬結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的沉降變形，采用鄧肯(Ducan)E-B非線性模型模擬，混凝土采用線彈性模型模擬。由于防滲墻、連接板混凝土剛度遠大于覆蓋層砂礫石剛度，在結(jié)構(gòu)自重及水壓力作用下，2種介質(zhì)之間因變形不協(xié)調(diào)會產(chǎn)生相對錯動，模型中閘室底板與覆蓋層、連接板與覆蓋層、防滲墻與覆蓋層之間相互錯動作用采用ABAQUS軟件中的罰函數(shù)接觸模型模擬，摩擦系數(shù)取0.3，ABAQUS軟件功能不再贅述。

表3 覆蓋層Duncan-EB模型材料參數(shù)表

4.4 計算結(jié)果及結(jié)論

施工期進行了地應力平衡，為后續(xù)計算提供應力場及平衡后的位移場，竣工期閘室自重加上金屬結(jié)構(gòu)對砂礫石覆蓋層產(chǎn)生的沉降量最大值為1.87cm，如圖4(a)所示，在自重作用下，閘室對基礎(chǔ)的變形量要比連接板、護坦基礎(chǔ)產(chǎn)生變形量大，連接板與閘室進口沉降高差為0.74cm，如圖4(a)中放大圖所示，小于該段連接板與閘室進口段之間止水允許變形量10cm的要求。正常運行期在水荷載作用下，覆蓋層產(chǎn)生的沉降量最大值為2.41cm，如圖4(b)所示。閘室前段護坦及連接板受水荷載作用更加貼合基礎(chǔ)，同時水閘在揚壓力作用下有微小上抬，此時，護坦與閘室進口沉降高差為0.03cm，如圖4(b)中放大圖所示，遠小于該段連接板與閘室進口段之間止水允許變形量10cm的要求。上述2個工況下閘室對覆蓋層再次固結(jié)產(chǎn)生的沉降影響不大，總的變形量很小，且均能滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本工程為Ⅲ等中型工程，鑒于深厚覆蓋上，閘室與連接板的沉降差及閘室整體的沉降問題對整個工程安全運行至關(guān)重要，通過三維有限法計算泄洪沖砂閘基礎(chǔ)沉降及結(jié)構(gòu)縫間沉降差計算成果表明：

(1)竣工期、正常運行期，覆蓋層產(chǎn)生的沉降量最大值分別為1.87、2.41cm，遠小于規(guī)范15cm的要求，表明閘室在上述2個工況下基礎(chǔ)沉降滿足規(guī)范要求，同時說明結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)尺寸合適。閘室與連接板之間沉降差最大值分別為0.74、0.03cm，遠小于規(guī)范5cm的要求，也小于該處止水最大允許剪切變形量10cm的要求。表明閘室在上述兩個工況下結(jié)構(gòu)縫中止水不會被剪破。

(2)針對此類建于覆蓋層上水閘工程，可采用三維有限元法進行計算閘室沉降及結(jié)構(gòu)縫剪切變形，為水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。