呂高峰

(國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 310014)

1 工程概況

安徽響水澗抽水蓄能電站位于安徽省蕪湖市三山區(qū)峨橋鎮(zhèn)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，電站屬大(2)型二等工程.電站樞紐主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、開關(guān)站和下水庫等建筑物組成.

上水庫位于浮山東部的響水澗溝源坳地，由主壩、南副壩、北副壩、進(jìn)出水口等建筑物組成.正常蓄水位222.00 m，設(shè)計洪水位222.8 m，正常發(fā)電消落水位198.00 m，死水位190.00 m，正常蓄水位222.00 m時總庫容1 612萬m3，有效庫容1 282萬m3，死庫容303萬m3.

上水庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，趾板以上最大壩高為87.0 m，壩頂長度為520 m，壩頂寬度為8.625 m.上水庫庫盆和庫岸地質(zhì)條件良好，主壩壩基采用帷幕灌漿防滲.因天然庫容偏小，需要人工擴挖有效庫容220 萬m3，開挖石料用于主壩壩體填筑.

主壩壩體即自上游向下游依次為蓋重區(qū)(1B)、上游鋪蓋區(qū)(1A)、墊層區(qū)(2A)和特殊墊層區(qū)(2B)、過渡區(qū)(3A)、主堆石Ⅰ區(qū)(3B)、主堆石Ⅱ區(qū)(3C)、主堆石Ⅱ增模區(qū)(3C2)、基礎(chǔ)過渡區(qū)(3C1)、排水層區(qū)(3F區(qū))及下游護(hù)坡(3D).主壩壩體典型剖面材料分區(qū)(見圖1).

圖1 主壩典型剖面壩體材料分區(qū)

2 計算模型、參數(shù)與方案

2.1 計算模型

響水澗上水庫主壩壩體三維有限元模型如圖2所示.網(wǎng)格剖分按面板分縫進(jìn)行，地面以實際開挖線為界.單元剖分時考慮了材料分區(qū)和施工填筑順序等.本模型共劃分有限元單元5 434個，節(jié)點6 006個.

圖2 主壩三維有限元網(wǎng)格圖

2.2 計算參數(shù)

混凝土面板采用線彈性模型，計算參數(shù)(見表1)，其余壩體填筑材料采用鄧肯-張E-B模型[1]，計算參數(shù)(見表2).

表1 混凝土彈性材料參數(shù)

表2 筑壩土石材料鄧肯E-B模型最終參數(shù)

2.3 計算方案

分級加荷按設(shè)計提供的施工程序(壩體填筑、趾板和面板澆筑、蓄水過程等)進(jìn)行，具體加載過程如圖3所示.分別分析壩體填筑完成1年后(第23級，方案1)、蓄水至設(shè)計洪水位222.8 m(蓄水期，第24級，方案2)及降水至正常發(fā)電消落水位198.0 m(25期，方案3)三個方案[2-5].

圖3 主壩施工與蓄水模擬

3 計算結(jié)果

3.1 壩體的應(yīng)力變形

分析以0+224斷面為例，典型剖面在各方案的水平位移、沉降位移最大值見表3，大主應(yīng)力最大值見表4；典型斷面在各方案的位移(見圖4)，大主應(yīng)力(見圖5).由圖表可知：

(1)壩體填筑完成一年后由于壩基面向下游方向傾斜以及上下游堆石材料的不同，下游側(cè)壩體指向下游方向的水平位移比上游側(cè)指向上游的水平方向位移大，零位移線稍偏向上游.在填筑完成后一年向上游方向的水平位移最大值是-10.0 cm，向下游方向的水平位移最大值25.6 cm.當(dāng)蓄水至設(shè)計洪水位222.8 m時，由于水壓力的作用，該水位以下上游側(cè)壩體水平位移大部分指向坡內(nèi)，其最大值有所增加，但該水位對壩軸線以下壩體的水平位移影響較小，零位移線稍向上游偏移.蓄水期向上游方向的水平位移最大值是-2.1 cm，向下游方向的水平位移最大值是30.7 cm.降水至正常發(fā)電消落水位198 m時，上游側(cè)向上游方向的水平位移增加，向上游方向的水平位移最大值是-9.4 cm，向下游方向的水平位移最大值是25.6 cm，其分布與量值和蓄水前基本接近，這說明大部分堆石體在自重與水荷載作用下處于彈性階段[6].

(2)最大沉降位移位于壩軸線附近約1/2壩高處，整個壩體垂直位移基本呈對稱分布.壩體填筑完成一年后，沉降位移最大值分別為71.35 cm.對于面板壩，水壓力主要集中在壩體上游側(cè)，且從上游面板開始向下游方向影響逐漸減小，因此，蓄水后，上游側(cè)壩體沉降量有比較明顯的增加，位于壩軸線附近半壩高左右的沉降最大值也有所增加.在蓄水期，沉降最大值為75.1 cm，降水后典型斷面的沉降最大值為71.36 cm.三個方案的的最大沉降計算值為75.1 cm，占壩高的0.9 %，與同類土石壩工程的計算值相近.

(3)壩體的大主應(yīng)力與高程有關(guān)，即與上覆壩體的厚度成正比，壩軸線底部壩體厚度最大，相應(yīng)的大主應(yīng)力也最大.壩體大主應(yīng)力基本關(guān)于壩軸線對稱分布.壩體填筑完成一年后，典型斷面的大主應(yīng)力最大值是1.40 MPa，水庫蓄水會引起壩體上游側(cè)大主應(yīng)力值增大，對下游側(cè)壩體應(yīng)力基本無影響.在蓄水期，典型斷面的大主應(yīng)力最大值是1.42 MPa.水庫降水后會使壩體上游側(cè)大小主應(yīng)力減小，對下游壩體應(yīng)力基本無影響.降水后，典型斷面的大主應(yīng)力最大值是1.41 MPa.

表3 典型計算剖面壩體水平向位移、沉降位移最大值 (單位：cm)

圖4 典型剖面水平位移和沉降位移等值線圖(cm)

圖5 典型斷面大主應(yīng)力(MPa)

(單位：MPa)

圖6～圖8分別是沿壩軸線壩體的壩軸向位移、沉降位移和大主應(yīng)力等值線圖.在沿壩軸線上的水平位移正值代表從左岸向右岸的位移，負(fù)值代表從右岸向左岸的位移.由圖可知：

(1)壩軸向位移整體向河谷中間變形，壩體填筑完成一年后，兩岸向河谷中間的變形最大值整體相差不大.中間部分沿壩軸線方向壩體位移為零.蓄水后順河向位移有一定增大，但增大很小，說明作用在面板上且垂直于面板的水壓力對壩軸向位移影響不大.

(2)在沉降位移方面，最大值出現(xiàn)在河谷部位約1/2壩高處，最大值為79.02 mm.蓄水后沿壩軸線展開面上沉降位移有一定增大.

(3)沿壩軸線展開面上大主應(yīng)力與橫剖面上的應(yīng)力分布規(guī)律相同，基本與上覆壩體的厚度成正比，因此河谷中心底部的大主應(yīng)力值最大.大主應(yīng)力最大值為1.57 MPa，蓄水前后沿壩軸線展開面上大、小主應(yīng)力變化不大.

3.2 面板應(yīng)力變形及接縫位移

圖9～圖10分別是蓄水至設(shè)計洪水位222.8 m時面板撓度與應(yīng)力，圖11是蓄水至設(shè)計洪水位222.8 m時面板垂直縫張拉圖，圖12是蓄水至設(shè)計洪水位222.8 m時周邊縫變形圖.由圖可知：

圖6 沿壩軸線展開面壩體壩軸向位移(cm)

圖7 沿壩軸線展開面壩體沉降位移(cm)

圖8 沿壩軸線展開面壩體最大主應(yīng)力(MPa)

(1)面板的變形主要由蓄水引起，面板撓度最大值發(fā)生在溝谷中部水壓力合力作用點附近，其最大值為26.2 cm.

(2)面板大部分區(qū)域順坡向壓應(yīng)力數(shù)值不大，僅在河谷中心靠近面板底部應(yīng)力較大，最大值約為1.4 MPa.沿壩軸線方向，由于兩岸壩體向河谷中間的變形，從而帶動面板向溝谷中間的擠壓變形，因此面板的軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力.但由于響水澗工程上庫主壩溝谷比較寬闊，兩岸壩體向河谷中間的變形較小，計算的面板軸向壓應(yīng)力不大，最大值約為1.9 MPa.

(3)面板垂直縫張拉位移及周邊縫三向位移都不大.其大致規(guī)律為：由于左岸地形比較傾斜，左岸

面板垂直縫有0.5～3.5 mm左右的張拉位移(不統(tǒng)計垂直縫底部變形)，右岸則有0.5～2.5 mm的張拉位移，中間部位面板垂直縫基本處于壓緊狀態(tài).周邊縫左右岸分別向溝谷中間錯動，左岸錯動位移最大值為8 mm，右岸錯動位移最大值為4 mm；周邊縫有一定的張開，最大張拉位移為14 mm；周邊縫沉陷位移很小，最大值為1.6 mm.

圖9 蓄水至設(shè)計洪水位222.8m時面板撓度(cm)

圖10 蓄水至設(shè)計洪水位222.8 m時面板應(yīng)力

圖11 蓄水至設(shè)計洪水位222.8 m時面板垂直縫張拉圖(mm)

圖12 蓄水至設(shè)計洪水位222.8 m時周邊縫變形圖

4 結(jié) 語

通過以上分析計算可知：

(1)壩體應(yīng)力變形的分布規(guī)律較為正常.壩體的變形量不大，水平位移值最大也只有30.7cm，最大沉降位移值為75.1 cm，均在庫水位處于設(shè)計洪水位222.8 m的工況下，最大沉降與壩高比例為0.9%，與類似工程接近.蓄水前后，壩體變形變化不大，說明壩體設(shè)計合理.

(2)蓄水后計算的面板撓度最大值為26.2 cm，與壩軸線處的壩高(約89.5 m)的比值為0.29%，小于同類工程的計算值.面板內(nèi)應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大值為1.9 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強度.計算的面板接縫位移也不大，垂直縫最大張開位移3.5 mm，周邊縫的三向位移最大值小于14 mm.面板接縫位移整體較小，能保證面板止水系統(tǒng)的正常運行.

參考文獻(xiàn)：

[1] 殷宗澤. 土工原理[M]. 北京：中國水利水電出版社，2007.

[2] 呂高峰，王柳江，嚴(yán) 俊.流固耦合對深厚覆蓋層內(nèi)防滲墻應(yīng)力變形的影響[J].水力發(fā)電,2012,38(12)：22-24,30.

[3] 劉斯宏，呂高峰. 考慮流變效應(yīng)的響水澗抽水蓄能電站上水庫主壩長期變形預(yù)測[C]//土石壩技術(shù)2011論文集，北京:中國電力出版社:450-458.

[4] 呂高峰，朱錦杰.覆蓋層開挖深度對閘底板沉降的影響分析[J].大壩與安全,2014(1):37-40.

[5] 張學(xué)峰,呂高峰,孔維耀,等.深厚覆蓋層上某閘壩工程的應(yīng)力應(yīng)變分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,35(4):12-15.

[6] 顧唯星.深厚覆蓋層心墻堆石壩應(yīng)力場與滲流場耦合計算分析[D].江蘇:河海大學(xué),2011.