李 勝 東

(四川省內(nèi)江水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 內(nèi)江 641000)

1 工程概述

老鷹巖電站工程位于涼山州會(huì)理縣六華河下游，屬六華河規(guī)劃的第4級(jí)，為混合式開(kāi)發(fā)電站，電站裝機(jī)24 MW，具有不完全年調(diào)節(jié)性能，電站工程任務(wù)為發(fā)電和生態(tài)保護(hù)。電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)和電站廠區(qū)三部分組成。其中大壩采用鋼筋砼面板堆石壩，壩頂高程為1 789.00 m，最大壩高66 m，壩頂長(zhǎng)173 m，大壩上游坡采用30～50 cm厚C30鋼筋砼面板防滲，面板底部與鋼筋砼趾板連接，趾板再同砂卵石基礎(chǔ)中的砼防滲墻連接。

2 地形地質(zhì)條件

壩軸線方向?yàn)镹41°E，地形坡度較陡，巖層走向與壩軸線夾角為2°。

壩基兩岸表層局部出露厚約0～0.5 m的殘坡積層(Q4el+dl)、由全風(fēng)化白云巖碎屑及碎塊石組成；壩基河床為第四系沖積層(Q4al)含砂漂卵礫石或砂卵礫石層，厚約40.0 m，透水性強(qiáng)。據(jù)鉆探及物探資料顯示河床沖積層共分四層：第一層厚6.0～10.0 m，結(jié)構(gòu)松散～稍密狀，承載力標(biāo)準(zhǔn)值200～300 kPa，分布高程1 718.65 m以上，以漂石、卵石及中粗砂粒組成，漂卵礫石含量占70～80%，其中漂石含量達(dá)15%以上；第二層厚約5.0 m，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)狀，承載力標(biāo)準(zhǔn)值550～650 kPa，分布高程1 713.80～1 718.65 m之間，以卵、礫石及中粗砂粒組成，其中砂粒含量達(dá)30%，漂石含量極少，級(jí)配良好，強(qiáng)度較高；第三層厚約7.0 m，結(jié)構(gòu)稍密～中密狀，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為300～400 kPa，分布高程1 707.99～1 713.80 m之間，以砂夾卵、礫石組成，其中砂粒含量達(dá)40%，漂、卵石含量較少，骨架顆粒偏少，強(qiáng)度偏低；第四層厚約18.0 m，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)狀，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為650～800 kPa，分布高程1 689.38～1 707.99 m，砂粒含量占20～25%，漂、卵石含量偏多，其中漂石含量明顯增多，據(jù)鉆探揭露漂石粒徑可達(dá)700 mm以上。下伏震旦系燈影組下段(Zbd1)白云巖。河床段強(qiáng)風(fēng)化層厚0.50～1.80 m，巖芯脆硬，呈碎塊狀，弱風(fēng)化～微風(fēng)化巖體較完整，透水性弱～微；岸坡段強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶厚12.0～17.0 m，水平寬8.0～10.0 m，裂隙極其發(fā)育，巖芯破碎；弱風(fēng)化卸荷帶厚30.0～33.00 m，裂隙較發(fā)育，巖芯呈短柱狀，局部呈長(zhǎng)柱狀；壩基微風(fēng)化～新鮮基巖，巖體完整。

兩壩肩平緩臺(tái)地零星分布第四系殘坡積層(Q4el+dl)灰黃色粉土、砂土夾灰?guī)r塊碎石，厚0.0～0.60 m。大部分裸露震旦系燈影組下段(Zbd1)白云巖，產(chǎn)狀為：走向N43°E，傾向S47°E，傾角85°，左壩肩強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶厚約13.0 m，弱風(fēng)化卸荷帶厚約30.0 m，強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶水平寬度為8.0～10.0 m；右壩肩強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶厚約18.0 m，水平寬度為13.0～20.0 m，弱風(fēng)化卸荷帶厚約36.0 m。同時(shí)左壩肩在高程1 732.55 m～1 749.30 m存在約17 m厚的破碎帶，右壩肩在高程1 760.45 m～1 765.41 m存在約5 m厚的破碎帶。

3 計(jì)算分析方法

由于該工程面板堆石壩基礎(chǔ)為深厚覆蓋層，且趾板也置于砂卵石層上，為給面板堆石壩周邊縫、壩體應(yīng)力應(yīng)變及壩坡穩(wěn)定提供設(shè)計(jì)依據(jù)，確保大壩安全可靠，設(shè)計(jì)進(jìn)行了二維應(yīng)力應(yīng)變及壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析工作。計(jì)算分析確定的大壩剖面見(jiàn)下圖。

3.1 非線性有限元計(jì)算

3.1.1 計(jì)算模型

鄧肯的E-B模式按下列公式計(jì)算切線楊氏模量和體積模量：

Et=K(σ3)n(1-S1)2

(1)

Kt=Kb(σ3)m

(2)

其中S1=Rf(σ1-σ3)/2τf

(3)

Rf=(σ1-σ3)f/(σ1-σ3)ult

(4)

τf為抗剪強(qiáng)度，K、Kb、m、n、Rf是五個(gè)計(jì)算參數(shù)。模式規(guī)定抗剪強(qiáng)度用下式計(jì)算：

τf=SINφ×σ3

(5)

φ=φ0-Δφl(shuí)gσ3

(6)

φ0是σ3=0.1 MPa時(shí)的內(nèi)摩擦角。通過(guò)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)可測(cè)定K、Kb、m、n、Rf、、φ0、Δφ7個(gè)參數(shù)。

程序規(guī)定卸荷時(shí)切線楊氏模量按下式計(jì)算：

Eur=Kur(σ3)nur

(7)

其中Kur為卸荷模量參數(shù)。卸荷準(zhǔn)則為當(dāng)前應(yīng)力水平小于歷史上最大值的95%,E按(7)式計(jì)算，否則，Et按(1)式計(jì)算。程序規(guī)定施工期一律按加荷模量計(jì)算，蓄水期按上述準(zhǔn)則判別加荷或卸荷，卸荷單元按式(7)計(jì)算楊氏模量。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料，Kur=2K，nur=n。鋼筋混凝土采用線彈性材料模型。

3.1.2 計(jì)算方法與邊界條件

為了模擬壩體填筑過(guò)程中荷載隨著填筑高度增長(zhǎng)的特性，計(jì)算采用中點(diǎn)增量法來(lái)解非線性方程組，將非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為分段線性問(wèn)題來(lái)求解。

壩體填筑及建成蓄水會(huì)引起較大的壩基變形，所以，以向上下游各切取0.5倍壩高、覆蓋層以下基巖與壩體共同構(gòu)成計(jì)算剖面?；鶐r底面為應(yīng)力及位移固定邊界，壩基上下游約束邊線為固定位移邊界垂直向允許自由變形，整個(gè)壩體表面作為自由邊界。計(jì)算程序采用經(jīng)水規(guī)總院鑒定的TOSS應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算程序。

有限單元網(wǎng)格以四邊形等參單元作為基本單元，面板壩計(jì)算剖面單元剖分見(jiàn)上圖，面板壩劃分單元305個(gè)，節(jié)點(diǎn)379個(gè)，加荷級(jí)數(shù)為16級(jí)。

3.1.3 計(jì)算參數(shù)選取

由于筑壩料的母巖巖性、原型級(jí)配及填筑密度等條件的不同，因而它們的力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)存在差異。根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)成果用于應(yīng)力應(yīng)變有限元計(jì)算分析的各種材料參數(shù)列于表1。

3.1.4 施工過(guò)程模擬

為使計(jì)算結(jié)果更接近壩體、壩基應(yīng)力應(yīng)變的真實(shí)情況，計(jì)算模擬施工分期填筑、分期蓄水的加載方式，針對(duì)面板壩斷面計(jì)算一期蓄水(度汛)、竣工期、正常水位情況下的應(yīng)力、應(yīng)變。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算

采用經(jīng)水規(guī)總院鑒定的SCSA當(dāng)?shù)夭牧蠅芜吰路€(wěn)定計(jì)算程序。在上游壩坡計(jì)算中不考慮面板對(duì)穩(wěn)定的有利影響，只計(jì)其防滲作用。設(shè)防地震烈度為7度。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 壩料 E～B模型參數(shù)及非線性強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算取值

注：混凝土模量K=20 GPa，泊松比0.2，容重2.40。

4 計(jì)算成果及分析

表2 計(jì)算參數(shù)指標(biāo)表

注：1.主次堆石料因其c值不穩(wěn)定，采用1/5倍均值，三軸試驗(yàn)的Φ值，采用0.9倍均值。

2.混凝土防滲墻、趾壩僅計(jì)其防滲作用，對(duì)穩(wěn)定的有利影響作為安全儲(chǔ)備考慮。

表3 面板壩二維有限元計(jì)算特征值

4.1 應(yīng)力應(yīng)變有限元計(jì)算分析

面板壩壩體在一期蓄水、竣工期、正常蓄水期垂直沉降最大值58.0 cm，發(fā)生在正常蓄水期壩軸線附近1/3～1/2壩高處，因水荷載作用于面板且度汛斷面已經(jīng)蓄水，壩體經(jīng)進(jìn)一步固結(jié)變形，后期蓄水引起附加垂直沉降較小，蓄水荷載對(duì)垂直沉降等值線分布改變小。壩體在一期蓄水、竣工期、正常蓄蓄水期水平位移向上游最大值為7.2 cm，水平位移向下游最大值為39.0 cm。計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表4 鋼筋混凝土面板、防滲墻計(jì)算成果特征值

面板壩壩體在一期蓄水、竣工期、正常蓄水期大主應(yīng)力、相應(yīng)小主應(yīng)力最大值分別為1.259 MPa、0.485 MPa，發(fā)生在正常蓄水期，正常蓄水期大小主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壩底中部，因鋼筋混凝土面板模量高，面板出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但面板未出現(xiàn)拉應(yīng)力。壩體局部出現(xiàn)塑性破壞單元，但并未連成片。在上述各工況下，壩基最大沉降量為31.8 cm，僅為覆蓋層厚度的0.7%左右，因此，砂卵石作為壩基不會(huì)引起壩體過(guò)大沉降變形。壩基最大大主應(yīng)力1.761 MPa，防滲墻最大大主應(yīng)力14.13 MPa，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。面板壩一期蓄水、竣工期、正常蓄水期最大擾度為27.0 cm，出現(xiàn)在2/3壩高附近，周邊縫最大剪切位移2.7 cm，最大垂直沉降7.8 cm,面板最大壓應(yīng)力為20.36 MPa。由于壩基為深厚覆蓋層，加之壩料模量偏小，周邊縫最大剪切位移、最大垂直沉降量偏大。成果見(jiàn)表4。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算成果

度汛斷面、主壩全斷面在各種工況下均滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)三級(jí)建筑物穩(wěn)定安全系數(shù)要求。計(jì)算成果見(jiàn)表5、表6。

5 結(jié)論和建議

表5 度汛斷面穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)

表6 主壩全斷面穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)

通過(guò)對(duì)老鷹巖面板堆石壩的應(yīng)力應(yīng)變和穩(wěn)定計(jì)算分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論及建議：

(1)面板壩壩基、壩體應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算模擬施工分期填筑、分期蓄水，計(jì)算成果符合一般規(guī)律，成果的規(guī)律性及趨勢(shì)可信。

(2)面板壩因分期填筑、分期蓄水，出現(xiàn)較大的向下游的水平位移，壩體水平位移等值線沿下游壩坡呈“扁平”狀分布，面板未出現(xiàn)拉應(yīng)力、防滲墻亦未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

(3)由于壩基為深厚覆蓋層，加之壩料模量偏小，周邊縫最大剪切位移、最大垂直沉降量偏大。面板壩的主要工程問(wèn)題是壩體變形以及隨之而來(lái)的接縫張開(kāi)和面板斷裂而導(dǎo)致大量滲漏，變形問(wèn)題，特別是對(duì)周邊縫變形的控制已成為面板壩設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。本面板壩須選用能適用大變形的止水材料、止水結(jié)構(gòu)，并做好分縫止水設(shè)計(jì)和施工。

(4)通過(guò)穩(wěn)定計(jì)算分析，度汛斷面、主壩全斷面在各種工況下均滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)三級(jí)建筑物穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

(5)通過(guò)試驗(yàn)資料分析可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)控制密度較低，壩料孔隙率均在《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》((SL228-98)規(guī)定的下限，致使壓縮

模量偏低，鄧肯模型參數(shù)中K、Kb偏低，面板壩對(duì)變形極為敏感，為保證大壩的安全，建議提高其壓實(shí)度，通過(guò)試驗(yàn)提高K、Kb等模量參數(shù)。

(6)混凝土防滲墻與面板結(jié)合部位的是覆蓋層上建造面板壩的關(guān)鍵技術(shù)，必須做好結(jié)合部位的止水，以防止產(chǎn)生集中滲漏。應(yīng)合理選擇面板施工時(shí)間，在壩體填筑半年后進(jìn)行，以改善面板和止水設(shè)施工作條件。

(7)因大壩所處地形為“V ”形河谷，兩壩肩對(duì)壩體有一定拱效應(yīng)，須做好垂直縫設(shè)計(jì)，尤其是兩岸的張性縫設(shè)計(jì)。

(8)通過(guò)計(jì)算分析，說(shuō)明在深厚覆蓋層，尤其是砂卵石層上建面板堆石壩是可行的，但應(yīng)著重處理好壩體、壩基、趾板及面板的穩(wěn)定、應(yīng)力及變形問(wèn)題，以及采取相應(yīng)的基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。