寶泉抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形分析

　?。壅?要］ 寶泉抽水蓄能電站上水庫主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，壩址地質(zhì)條件復(fù)雜。本文通過對該壩進(jìn)行二維有限元計算，分析了壩體和面板的應(yīng)力變形特性，重點(diǎn)是面板反弧段的變形，并提出了改善面板變形相應(yīng)的工程措施。

　　［關(guān)鍵詞］ 瀝青混凝土面板堆石壩 應(yīng)力變形分析 有限元寶泉抽水蓄能電站上水庫

　　1 前言

　　寶泉抽水蓄能電站位于河南省新鄉(xiāng)市輝縣薄壁鎮(zhèn)大王廟以上2.4km的峪河上，總裝機(jī)容量為1200MW。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群和地面開關(guān)站等建筑物組成。

　　上水庫主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程791.90m，最大壩高94.8m，壩頂長度600.37m，壩頂寬度10.0m。正常蓄水位為789.60m。上游瀝青混凝土面板坡比為1∶1.7，厚20.20cm，面板下部設(shè)墊層和過渡層。壩體主堆石區(qū)采用開挖灰?guī)r填筑，次堆石區(qū)為庫盆開挖石料。主堆在壩軸線處以1∶0.2的邊坡與次堆相接。壩基設(shè)有4.00m厚的排水帶。壩下游坡比為1∶1.5。庫盆采用粘土鋪蓋全面防滲，典型斷面見下圖。

　　根據(jù)已經(jīng)揭示的地質(zhì)情況看，寶泉上水庫主壩壩基覆蓋層厚度不一，最深處可達(dá)26m，以第四系坡積、沖～洪積物為主。尤其是壩體左岸覆蓋層存在古沖溝和溝間洼地，內(nèi)部充填洪積、崩積和坡積堆積層，間雜土質(zhì)透鏡體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含泥量較大，變形模量較低，可能對壩體尤其是面板的安全產(chǎn)生不利的影響。覆蓋層全部挖除成本太高，因此考慮將部分覆蓋層保留；另外，為優(yōu)化壩體材料，覆蓋層上面的庫底填渣采用庫岸開挖石料，壩體次堆石采用庫盆開挖石料逐層填筑。

　　本文通過二維有限元計算，模擬壩體的施工過程和蓄水過程，研究堆石體及瀝青混凝土面板的力學(xué)特性，以分析減少覆蓋層開挖量和優(yōu)化壩體分區(qū)材料等對壩體尤其是對防滲面板變形的影響，進(jìn)行安全評價。

　　2 計算模型及參數(shù)

　　2.1 計算模型

　　在本次計算中，瀝青混凝土面板采用線彈性模型，壩基覆蓋層料和各種壩體堆石料均采用鄧肯－張E－B非線性彈性模型來描述。在線彈性模型中，只需兩個材料常數(shù)即可描述其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：彈性模量E和泊松比v。

　　鄧肯張E－B非線性彈性模型采用切線彈性模量Et和體積模量B來描述土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。確定Et和B的主要公式中主要涉及以下參數(shù)：強(qiáng)度指標(biāo)和φ，彈性模量數(shù)K，彈性模量指數(shù)n，破壞比Rf，體積模量數(shù)Kb，體積模量指數(shù)m，卸荷彈性模量數(shù)Kur。

　　2.2 計算參數(shù)

　　各種材料本構(gòu)模型的計算參數(shù)見表1所示。其中，主堆料、次堆料、覆蓋層料、墊層料、過渡料和排水層料六種壩料的本構(gòu)模型計算參數(shù)根據(jù)大型三軸試驗(yàn)結(jié)果確定；上游黏土鋪蓋、堆渣和碾壓堆渣參照工程經(jīng)驗(yàn)確定；瀝青混凝土面板采用線彈性模型描述，其計算參數(shù)也參照工程經(jīng)驗(yàn)確定。

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　　3 二維有限元計算

　　選取壩體最大斷面作為典型斷面進(jìn)行計算。

　　單元以四邊形單元為主，輔以少數(shù)三角形過渡單元。單元總數(shù)517，結(jié)點(diǎn)總數(shù)553。

　　3.1 計算工況

　　計算工況包括施工期和蓄水期。

　　施工期按壩體施工順序確定，共分四大級：①地基覆蓋層；②壩體（含上游庫底填渣）填筑：上游庫底堆渣的填筑隨整個壩體填筑勻衡上升，主堆石、次堆石、過渡料、墊層料按此順序平起作業(yè)。填筑過程分為18個荷載分級進(jìn)行模擬；③瀝青混凝土面板施工；④庫區(qū)粘土鋪蓋層的填筑；

　　蓄水期即大壩施工完成后，增加水庫的蓄水過程，分8級蓄水至789.60m。

　　3.2 計算成果及分析

　　1）壩體位移及應(yīng)力計算成果

　　竣工期末的壩體位移以及蓄水完畢壩體位移和面板應(yīng)力變形狀況匯總?cè)绫?所示。

　　2） 壩體變形

　　壩體水平位移均指向下游，最大水平位移發(fā)生在壩體下游壩坡處。壩體最大豎直沉降發(fā)生在壩體（含壩基）中部，壩體在施工期和蓄水期的最大沉降量分別為119.5cm和120.9cm，約占最大壩高94.8m的1.3%。相應(yīng)最大水平位移為65.4cm和70.8cm，為相應(yīng)情況最大沉降量的54.7%和58.6%。

　　主壩壩體的水平變形指向下游且最大值發(fā)生在下游壩體中部的壩坡處。從壩體剖面的型式來看，庫盆底高程較壩后坡腳高程高出約55m，這是導(dǎo)致壩體在施工期水平變形指向下游的主要原因。而且，位于壩體下游處的次堆石料變形模量較小，是造成壩體的水平變形指向下游且峰值發(fā)生在下游壩坡處的原因之一。

　　壩體的沉降分布受壩基覆蓋層、庫底碾壓堆渣和次堆石料這三種變形模量較小材料的影響較大。從計算結(jié)果看，約10m厚的壩基覆蓋層在施工期和蓄水期會發(fā)生約40cm的壓縮變形，在壩體的沉降變形中占有相當(dāng)?shù)谋壤?；壩體下游的次堆石區(qū)變形模量小也是導(dǎo)致壩體最大沉降和最大水平變形均發(fā)生在該區(qū)的原因；另外在庫底碾壓堆渣區(qū)（其鄧肯－張E－B模型參數(shù)k=250），由計算結(jié)果看，施工期將發(fā)生超過40cm的沉降變形。蓄水期在蓄水重量的作用下，由于壩基覆蓋層料和庫底碾壓堆渣層的壓縮，庫底粘土鋪蓋層將發(fā)生約60cm的沉降變形。

　　3）壩體應(yīng)力

　　竣工期和蓄水期的大主應(yīng)力最大值分別為1.84MPa和1.96MPa，小主應(yīng)力最大值分別為0.68MPa和0.73MPa，差別均不大，且都出現(xiàn)在壩軸線附近大壩底面上。從趨勢上看，壩體大、小主應(yīng)力隨填筑厚度而變化，蓄水期壩體因受水壓力影響，僅在上游面附近的應(yīng)力與竣工期有一定的差異。

　　4）面板應(yīng)力和變形

　　計算結(jié)果表明，水庫蓄水完畢后上游面板的撓度在其水平段末端最大，約為26.3cm。面板撓度總體上隨著高程的增加逐漸減小，但減少較為緩慢，在接近壩頂時仍有約8~9cm的撓度變形。上述面板的變形特點(diǎn)實(shí)際上也是由壩體的變形特點(diǎn)所決定的。在瀝青混凝土面板堆石壩中，瀝青混凝土面板為柔性傳力結(jié)構(gòu)，其變形主要取決于其下堆石體和覆蓋層的變形，因而面板下堆石體和覆蓋層的變形模量，對面板變位均有較大影響。上游面板撓度的最大值發(fā)生在其水平段末端，是由于該處堆石體和覆蓋層仍然較厚且此處水壓力最大所致。

　　從面板的應(yīng)力和應(yīng)變分布狀況看，面板底部的反弧段基本為受拉區(qū)，而傾斜直線段應(yīng)力和變形均較小。面板順坡向拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的峰值均出現(xiàn)在反弧段上部的起點(diǎn)附近，順坡向拉應(yīng)力的峰值為-1.98MPa，順坡向拉應(yīng)變的峰值為-0.30%。進(jìn)行面板設(shè)計時，設(shè)計溫度下的極限拉應(yīng)變和極限拉應(yīng)力均可以作為設(shè)計控制指標(biāo)。

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　　4 結(jié)語

　　通過有限元計算分析，可以得到以下幾點(diǎn)初步結(jié)論：