黃熠輝

(中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院,浙江 杭州 310014)

1 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上麥地龍鄉(xiāng)上游約6 km處。雅礱江中游河段(兩河口—江口段)是我國能源發(fā)展規(guī)劃的“十三大”水電基地之一,楊房溝水電站是中游河段1庫6級開發(fā)的第5級,上距孟底溝水電站37 km,下距卡拉水電站40 km。楊房溝水電站工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電,水庫總庫容為5.125億m3,正常蓄水位為2094.00 m,電站裝機容量為1500MW;擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩,壩頂高程2102.00 m,壩底高程1947.00 m,最大壩高155 m,拱冠梁底厚32 m,屬于中厚高拱壩。本工程為Ⅰ等工程,工程規(guī)模為大(1)型?；炷岭p曲拱壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等永久性主要水工建筑物均為1級建筑物。

拱梁分載法是拱壩應(yīng)力分析的基本方法,其壩基一般采用比較粗略的伏格特地基模型。該拱壩最大壩高150 m,屬高拱壩,正常蓄水位時最大水頭近150 m,推力超過200萬t,壩體應(yīng)力較高,壩基巖體變形模量對拱壩體形優(yōu)化以及壩體應(yīng)力狀態(tài)影響較大,常規(guī)粗略的伏格特地基模型較難真實反映該拱壩壩基的實際情況,須尋找一種較為準(zhǔn)確、合理的計算方法。

2 壩址基本地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)河流流向南偏東 30～40°,枯水期水位高程1983.0～1985.0 m,河面寬 56.0～102.0 m,河道從上游至下游變窄,壩址至勘Ⅴ線下河道又漸變寬。兩岸地形較陡,基本對稱,左岸高程2110 m以下坡度總體約45～60°,高程2110～2300 m局部為懸崖,右岸坡度50～70°。

壩址出露地層主要為燕山期花崗閃長巖及上三疊統(tǒng)雜谷腦組板巖夾砂巖、新都橋組變質(zhì)粉砂巖,變質(zhì)粉砂巖層內(nèi)局部夾含炭質(zhì)板巖等。燕山期花崗閃長巖為壩址樞紐區(qū)主要出露巖性,深灰～淺灰色,斑狀結(jié)構(gòu)為主,塊狀構(gòu)造。

在壩區(qū)出現(xiàn)的構(gòu)造形跡主要為Ⅲ級、Ⅳ級小斷層及大量的構(gòu)造節(jié)理裂隙組成的較為復(fù)雜的構(gòu)造系統(tǒng)。壩址區(qū)卸荷帶特征:多沿順河的NNW向和NNE向或者與谷坡走向呈小角度夾角裂隙、斷層發(fā)育,但卸荷深度不大,基巖多呈弱風(fēng)化,局部因蝕變呈強風(fēng)化。

表1為壩基巖體 (花崗閃長巖)的分級以及力學(xué)指標(biāo)地質(zhì)建議值。

表1 壩基巖體分級及力學(xué)指標(biāo)建議值表

3 壩基綜合變形模量的計算

楊房溝高拱壩建基面嵌深立視示意如圖1所示:拱壩中上部高程建基面位于Ⅲ1類 (弱風(fēng)化下段無卸荷)巖體中,下部高程建基面位于Ⅱ類(微風(fēng)化～新鮮)巖體中。

拱壩屬超靜定結(jié)構(gòu),地基變形對拱壩應(yīng)力分布有較大影響,傳統(tǒng)的計算拱壩壩基變形的作法是把拱壩地基概化為伏格特(Vogt)地基模型。計算中假定地基是無限深的、均勻的、各向同性的彈性材料,這對基巖來說是很粗略的假定。把壩底與基巖的接觸面展平,把壩軸線拉直,繪成接觸面展開面積圖,然后按面積相等、長寬比例近似的原則,用一矩形來替代展開面積,此矩形長寬比作為此拱壩的一個常數(shù),據(jù)此常數(shù)以及計算點處壩基巖體的泊松比查表求得伏格特系數(shù),進(jìn)而求得地基變形?？梢?伏格特地基模型依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗,計算方法比較粗糙。

圖1 拱壩建基面嵌深示意圖

有關(guān)研究表明,通過有限元建立地基模型,進(jìn)行壩基變形模量計算精度更高,國內(nèi)在高拱壩工程研究中,也采用了有限元法模擬實際地基條件進(jìn)行壩基變形模量分析。結(jié)合研究成果和工程實例,本工程采用大型商業(yè)有限元軟件ANSYS進(jìn)行拱壩建基面綜合變形模量計算分析,基本方法如下:

采用平面有限元法構(gòu)建特征高程壩基水平剖面和垂直剖面,在地質(zhì)巖體變形參數(shù)研究的基礎(chǔ)上,充分考慮巖體分區(qū)、斷層、壩基開挖等多方面因素,在拱端施加徑向、切向、彎矩方向的單位荷載,分別計算出各特征高程的水平拱向和垂直梁向的變形,再通過應(yīng)變能相等原理求出相應(yīng)的水平拱向和垂直梁向的壩基綜合變形模量,按照拱肩槽岸坡角對拱向和梁向變形模量進(jìn)行分解,最終得出相應(yīng)高程的拱壩壩基綜合變形模量[1]。

取拱壩控制高程:2102,2080,2060,2040,2020,2000,1980,1960 m。每個高程除頂拱外,分別模擬左岸拱向、左岸梁向、右岸拱向、右岸梁向4個地基模型。模型中模擬拱端開挖線、壩基附近巖體分級、主要的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。模型按平面四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。斷層等結(jié)構(gòu)面沿厚度方向分為3層單元。圖2、3為典型有限元計算網(wǎng)格模型。

圖2 2060 m高程左岸拱向有限元模型圖

圖3 2060 m高程左岸梁向有限元模型圖

壩基巖體力學(xué)計算參數(shù)采用表1地質(zhì)建議中間值,斷層等結(jié)構(gòu)面厚度按照地質(zhì)測量厚度取值,變形模量按地質(zhì)建議值的0.8倍取值。

經(jīng)有限元計算,最終得出各特征高程壩基綜合變形模量 (見表2):河床1947m高程及以下壩基處于Ⅱ類 (微風(fēng)化～新鮮)巖體中,綜合變形模量取16.0 GPa。

表2 各特征高程壩基綜合變形模量計算成果表GPa

由上述結(jié)果可看出,隨著高程的降低,計算出的左右岸壩基綜合變形模量隨之增大,說明建基面巖體質(zhì)量從上至下逐漸提高,對拱壩受力非常有利;從建基面所處的巖體分類來說,左右岸約2000 m高程為Ⅲ1類 (弱風(fēng)化下段無卸荷)巖體和Ⅱ類(微風(fēng)化～新鮮)巖體分界處,2102～2020 m壩基綜合變形模量在10～13 GPa范圍,2000～1947 m壩基綜合變形模量在13～16 GPa范圍,均未超過表1地質(zhì)建議值基本相符;從左右岸壩基綜合變模對比情況來看,兩岸壩基巖體條件對稱性良好。

4 結(jié) 語

楊房溝電站拱壩工程與可行性研究設(shè)計階段采用平面有限元法,在地質(zhì)巖體變形參數(shù)研究的基礎(chǔ)上,模擬巖體分區(qū)、斷層、壩基開挖等多方面因素,利用應(yīng)變能相等原理對基各特征高程的綜合變形模量,進(jìn)行了計算,均未超過壩基相應(yīng)巖體分級的變形模量地質(zhì)建議值;左右岸壩基綜合變形模量對稱性良好,對拱壩受力非常有利。這樣計算出的壩基綜合變模較為真實的反映了楊房溝拱壩壩基的實際情況,與傳統(tǒng)的粗略的伏格特地基模型相比,是一大進(jìn)步。

[1]周濤.溪洛渡水電站拱壩基礎(chǔ)綜合變模分析 [J].四川水力發(fā)電,2001(6):89-93.