小山口水電站混合壩插入式接頭有限元分析

陸云才

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

混合壩是重力壩與土石壩組合而成的一種壩型，因其兼有混凝土壩和土石壩的優點且較為經濟而被廣泛應用。但混合壩接頭部位由于兩種壩型剛度不同，導致接合處變形差別大且應力分布不均勻，地震時會產生不同的地震響應，易出現相對沉降和張拉裂縫，是壩體最薄弱的部位，也是混合壩設計的關鍵部位。土石壩與重力壩接頭連接形式有插入式和側墻式，側墻式連接需要較長的混凝土擋墻，不經濟且僅適應用于低壩。插入式連接形式簡單，適用范圍廣且較側墻式更為可靠、經濟，廣泛應用于混合壩接頭的連接。插入接頭可靠性關系到項目的整體安全。為驗證接頭安全性，本文以小山口水電站混合壩插入式接頭為例，采用大連理工大學水利學院工程抗震研究所開發的巖土工程系列GEODYNA-三維非線性有效應力分析軟件、FEMSTABLE-有限元動力穩定分析程序，對接頭部位重力壩、面板壩進行了有限元靜動力分析，評價混合壩接頭可靠性同時提出優化設計方案。

1 工程概況

小山口水電站是開都河梯級開發規劃中的第十級電站，電站由混合壩、表孔溢洪道、導流兼泄洪底孔、發電引水系統和電站廠房組成。混合壩由重力壩和面板壩組成，該壩型兼有混凝土壩和土石壩的優點，重力壩在施工期可以進行導流，建成后進行泄洪。面板壩可以利用當地材料，較為經濟[1-4]。重力壩段最大壩高46.6m，面板壩段最大壩高37.6m。壩頂長度1181m，壩頂寬度6m。水庫正常蓄水位1316m，死水位1314m，設計洪水位1316.29m，校核洪水位1318.71m。總庫容5060萬m3，電站裝機容量49.5MW。

面板壩與重力壩的連接是混合壩設計的重點，因連接處不僅易產生集中滲流，而且會產生不均勻沉降[5]。面板壩防滲體與重力壩之間的結合，除保證填土夯實使之緊密結合之外，還應使結合面的滲徑有一定的長度和適應變形的能力[6]。面板壩與重力壩的連接形式，有插入式和側墻式[7]，考慮到面板壩防滲體位于壩體上游表面，若采用擋墻，擋墻高度最高達42m，施工難度大，施工進度慢，類似方案在喀臘塑克水利樞紐和下天吉水庫的審查中被否定。確定采用插入連接形式：在上下游設置圓包頭連接重力壩和面板壩，上游圓包頭段為鋼筋混凝土面板壩結構，趾板基礎坐在基巖強風化層，面板、趾板與重力壩迎水面止水型式設置同面板壩段的周邊縫；下游圓包頭段為砂礫石填筑結構，面板壩與重力壩連接大樣圖如圖1所示。

圖1 面板壩與重力壩連接大樣圖

2 壩址地質條件概況

壩址區基本烈度8度，大壩抗震設計烈度9度，50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.20g。河谷兩岸左陡右緩，呈不對稱“U”形谷，谷底寬1000～1100m。左岸為IV級階地陡坎，坡角85°以上，地面高程1326～1335m，坡頂為階地砂卵礫石。基巖面高程1318～1320.64m，巖性為泥巖、砂巖夾砂礫巖，產狀319°NE∠10°，巖層傾向坡里，傾角很緩。基巖節理不發育，但卸荷帶及強風化層巖體風化裂隙較發育，右岸為IV級階地，高程1324m，基座面高程1319.23～1320.77m，坡上巖質邊坡，岸坡坡度60°～87°；階地砂卵礫石石層厚5～8m。基巖為泥巖、砂巖、巖層傾向坡外：兩岸強風化層厚2～5m，弱風化深度5～14m。河谷分為河床及洪積扇段，靠左岸的河床及河漫灘段長約470m，河床堆積物為砂卵礫石目標層為粘土層；下部為砂卵礫石層，地下水埋深1.5～1.6m左右；基巖為泥巖、沙質泥巖。強風化層厚度3～4.5m，弱風化層8m。靠右岸洪積扇段長620m，上部為洪積砂質砂土及粘土層，厚度分別為4～9m和2～5m；下部為沖擊砂卵礫石層，地下水埋深4～15.1m；基巖為泥巖、砂巖。地址區分布的底層為新生界第三系中新統N1t地層及第四系堆積物。N1t巖性以泥巖、砂質泥巖為主，局部與砂巖呈互層狀，夾砂礫巖，巖體完整，巖層分布連續。河谷沖積層地下水豐富，為空隙潛水，埋深1.92～18.1m，含水層厚3.5m左右。滲透系數為6.94×10-2cm/s，為強透水層。兩岸及河谷基巖透水性弱，為不透水層水巖體。

3 接頭部位的有限元分析

3.1 有限元分析內容

接頭部位是混合壩的薄弱環節，特別是在地震作用下，兩種材料接觸面上特別容易產生滑移裂縫，甚至開裂破壞[8-10]。因此，接頭處接觸面上的應力大小以及開裂滑移區域分布是混合壩有限元分析的重點。為了驗證接頭安全性，對接頭進行了有限元分析，分析內容如下：①建立面板堆石壩與接頭部分整體模型，采用三維有限元進行靜力計算，模擬大壩填筑和蓄水過程，計算壩體和壩基應力、位移，以及重力壩插入堆石壩接頭部位應力和相對位移，為動力計算提供初始應力[11-12]。②采用三維有限元進行動力反應計算，模擬大壩填筑和蓄水過程，計算壩體和壩基應力、位移，重力壩插入堆石壩接頭部位應力和相對位移，面板周邊縫和中間縫的位移。并為動力計算提供初始應力。綜合計算分析，評價混合壩接頭部位的抗震安全性，提出優化方案。

3.2 壩體有限元模型

為研究壩料靜力參數變化對大壩應力和變形的影響，將以上壩料的K和Kb折減到原值的80%，定義為工況2；將K和Kb折減到原值的60%，定義為工況3。工況見表1。下文僅給出工況1計算得到的等值線圖，3種工況計算結果匯總于相應表中。

表1 工況簡述

3.3 接頭部分重力壩靜力計算結果

3.3.1接頭部分重力壩位移

工況1計算得到的接頭部分重力壩位移等值線如圖2所示，不同工況下的位移最大值見表2，由重力壩位移等值線圖和表可知：接頭部分重力壩的位移很小，其順河向位移最大值為0.41mm，發生在頂部；豎向位移最大值為0.77mm，亦發生在頂部；壩軸向位移最大值為0.21mm，發生在1/3壩高處附近。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，接頭部分重力壩的位移變化不大。

表2 滿蓄期接頭部分重力壩的應力、變形最大值

圖2 接頭部分重力壩順河向、豎向、沿壩軸向位移

3.3.2接頭部分重力壩應力

工況1計算得到的接頭部分重力壩主應力等值線如圖3所示，不同工況下的主應力最大值見表2，由重力壩主應力等值線圖和表可知：接頭部分重力壩最大壓應力為1.09MPa，發生在底部；最大拉應力為0.09MPa。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，接頭部分重力壩的應力變化很小。

圖3 接頭部分重力壩大、小主應力(壓為正)

3.4 接頭部分面板壩靜力計算結果

3.4.1圓弧段面板位移

工況1計算得到的壩體圓弧段面板位移等值線如圖4所示，不同工況下的位移最大值匯總見表3。通過位移等值線和表可知：圓弧段面板順河向位移最大值為0.52cm，發生在水平段面板與圓弧段面板連接處1/3壩高的位置附近；面板豎向位移最大值為0.84cm，發生在靠近面板中部1/3壩高處附近；面板壩軸向位移最大值為0.44cm，出現在靠近面板中部1/4壩高處附近。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，圓弧段面板順河向位移最大值由0.52cm增大到0.83cm，面板豎向位移最大值由0.84cm增大到1.35cm，面板壩軸向位移最大值由0.44cm增大到0.69cm。

表3 滿蓄期圓弧段面板應力、變形最大值

圖4 圓弧段面板沿順河向、沿豎向、沿壩軸向位移(俯視圖)

3.4.2圓弧段面板應力

工況1計算得到的壩體圓弧段面板主應力等值線如圖5所示，不同工況下的應力最大值列見表3。通過主應力等值線和表可知：圓弧段面板大主應力表現為壓應力，最大值為3.08MPa，發生在面板中部1/3壩高處附近；面板小主應力也主要表現為壓應力，最大值為0.25MPa，頂部出現小范圍的拉應力，最大值僅為0.09MPa。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，圓弧段面板壓應力的最大值由3.08MPa增大到4.21MPa，拉應力變化很小。

圖5 圓弧段面板大、小主應力(俯視圖，壓為正)

3.4.3圓弧段面板周邊縫位移

不同工況下的周邊縫的三向位移最大值見表3。從周邊縫變位圖及表可知：滿蓄期周邊縫沿趾板走向剪切位移最大值為1.04mm，位于左岸底部；周邊縫沿面板法向剪切位移最大值為2.75mm，靠近左岸，表現為水壓力作用下的沉陷；周邊縫基本處于張開狀態，最大值為0.33mm。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，周邊縫沿趾板走向剪切位移最大值由1.04mm增大到1.83mm，沿面板法向剪切位移最大值由2.75mm增大到4.36mm，張開位移最大值由0.33mm增大到0.46mm，壓縮位移最大值由0.04mm增到0.08mm。

3.4.4圓弧段面板豎縫位移

不同工況下的豎縫的三向位移最大值見表3。從表可知：滿蓄后，面板豎縫的沿順坡向剪切位移最大值為0.84mm；沿面板法向剪切位移最大值為3.95mm，表現為水壓力作用下的沉陷；張開位移最大值為1.43mm，壓縮位移最大值0.08mm。豎縫位移量值均不大，在經驗的范圍內。隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，面板豎縫的沿順坡向剪切位移最大值由0.84mm增大到1.41mm，沿面板法向剪切位移最大值由3.95mm增大到5.63mm，張開和壓縮位移變化很小。

3.5 接頭部分壩體地震響應計算

3.5.1接頭部分重力壩靜動疊加應力

地震時接頭部分重力壩主應力如圖6所示，可以看出：接頭部分重力壩最大壓應力為1.30MPa，發生在壩底處，最大拉應力為0.22MPa，發生在壩頂處。

圖6 地震時接頭部分重力壩最大、最小主應力(壓為正)

3.5.2接頭部分圓弧段面板靜動疊加應力

地震時圓弧段面板主應力如圖7所示，可以看出：地震時面板最大壓應力為4.00MPa，發生壩高1/3處附近，最大拉應力為1.08MPa，發生在圓弧段面板與水平段面板連接處的壩頂位置附近。

圖7 地震時面板最大、最小主應力(壓為正)

3.5.3圓弧段面板周邊縫靜動疊加位移

圓弧段面板周邊縫的靜動疊加位移最大值見表4，可以看出：周邊縫靜動位移疊加后的最大值分別為1.16mm(沿趾板走向剪切)，2.76mm(沿面板法向剪切)，1.41mm(張開)，0.31mm(壓縮)。

表4 圓弧段面板縫靜動位移疊加結果

3.5.4圓弧段面板豎縫靜動疊加位移

圓弧段面板豎縫的靜動疊加位移最大值見表4，可以看出：豎縫靜動位移疊加后的最大值分別為1.85mm(沿順坡向剪切)，4.21mm(沿面板法向剪切)，2.36mm(張開)，0.85mm(壓縮)。

4 結論

滿蓄期接頭部分重力壩的位移很小，壩其順河向位移最大值為0.41mm，發生在頂部；豎向位移最大值為0.77mm，亦發生在頂部；壩軸向位移最大值為0.21mm，發生在1/3壩高處附近。滿蓄期接頭部分重力壩最大壓應力為1.09MPa，發生在底部；最大拉應力為0.09MPa。地震時接頭部分重力壩最大壓應力為1.30MPa，發生在壩底處，最大拉應力為0.22MPa，發生在壩頂處。對壩料參數進行敏感性分析，隨著K和Kb的減小(由原值折減到60%)，接頭部分重力壩的應力、位移變化很小。

滿蓄期圓弧段面板順河向位移最大值為0.52cm，發生在水平段面板與圓弧段面板連接處1/3壩高的位置附近；面板豎向位移最大值為0.84cm，發生在靠近面板中部1/3壩高處附近；面板壩軸向位移最大值為0.44cm，出現在靠近面板中部1/4壩高處附近。滿蓄期圓弧段面板大主應力表現為壓應力，最大值為3.08MPa，發生在面板中部1/3壩高處附近；面板小主應力主要表現為壓應力，最大值為0.25MPa，頂部出現小范圍的拉應力，最大值僅為0.09MPa。

滿蓄期周邊縫沿趾板走向剪切位移最大值為1.04mm，位于左岸底部；周邊縫沿面板法向剪切位移最大值為2.75mm，靠近左岸，表現為水壓力作用下的沉陷；周邊縫基本處于張開狀態，最大值為0.33mm。地震時周邊縫靜動位移疊加后的最大值分別為1.16mm(沿趾板走向剪切)，2.76mm(沿面板法向剪切)，1.41mm(張開)，0.31mm(壓縮)。與滿蓄期的靜力計算結果相比，周邊縫的位移變化不大，表明地震引起的縫的動位移量比較小。滿蓄期面板豎縫的沿順坡向剪切位移最大值為0.84mm；沿面板法向剪切位移最大值為3.95mm，表現為水壓力作用下的沉陷；張開位移最大值為1.43mm，壓縮位移最大值0.08mm。豎縫位移量值均不大，在經驗的范圍內。

5 結語

從分析結果可知，在滿蓄和地震工況下，混合壩連接壩段面板壩部分產生了相對混凝土壩較大沉降，因此，在實際工程中要特別加強接頭處施工質量，提高碾壓密實度。在接頭處適當采取抗震措施，可在受拉區設置土工格柵，提高抗剪和適應變形的能力，同時盡量延長滲徑，避免接頭裂壩體因縫產生滲透破壞。

由于國內外對混合壩本接頭部位缺少細致的研究，導致接頭部位經常出現變形和裂縫，結合小山口水電站混合壩對接頭部位進行有限元系統分析，結果表明接頭安全可行，為類似工程積累了經驗，意義顯著。可在此基礎上，再進行滲流計算分析，提出相應的優化和改善措施，提高混合壩接頭部位運行的可靠度。