張 奎

(吉林省和龍市水利局，吉林 和龍 133500)

0 引 言

在水利工程建設(shè)中，高拱壩的庫(kù)盤(pán)一般都承受著巨大的荷載，并且其工作條件極為復(fù)雜。在高拱壩施工初期蓄水及運(yùn)行過(guò)程中，受到庫(kù)水壓力的長(zhǎng)期作用，庫(kù)盤(pán)變形，并經(jīng)受汛期洪水、地震等突發(fā)性災(zāi)害的侵襲。此外，高拱壩庫(kù)盤(pán)變形還與所處的地形、地質(zhì)條件、庫(kù)盤(pán)型式、變形影響范圍、近壩區(qū)壩體結(jié)構(gòu)、壩體建基條件(河床基礎(chǔ)和兩岸抗力體)等有關(guān)。而且高拱壩庫(kù)盤(pán)地質(zhì)條件復(fù)雜，內(nèi)部斷層、裂隙等結(jié)構(gòu)面的特性、產(chǎn)狀、分布組合關(guān)系等也對(duì)大壩工作性態(tài)造成影響。因此，通過(guò)系統(tǒng)研究高拱壩庫(kù)盤(pán)變形的影響因素，提煉影響高拱壩庫(kù)盤(pán)變形變化規(guī)律的一般性因素，為開(kāi)展庫(kù)盤(pán)變形研究提供指導(dǎo)，也為研究庫(kù)盤(pán)變形對(duì)大壩工作性態(tài)影響提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本文通過(guò)對(duì)拐彎型河道地形條件下庫(kù)盤(pán)深度變化這一影響因素的研究，進(jìn)一步分析拐彎型河道庫(kù)盤(pán)上高拱壩的變形特點(diǎn)。

1 庫(kù)盤(pán)模型的建立

目前，拐彎型河道庫(kù)盤(pán)形式較為常見(jiàn)。為研究拐彎型河道庫(kù)盤(pán)深度對(duì)庫(kù)盤(pán)變形的影響，需要對(duì)庫(kù)盤(pán)所處的地形條件建立拐彎型河道庫(kù)盤(pán)大范圍模型。

模型的范圍：上游30 km，下游10 km，左右壩肩10 km，壩基礎(chǔ)深度10 km，壩高300 m。

模型中坐標(biāo)系：X軸垂直于拱壩中心線，指向左岸為正；Y軸平行于拱壩中心線，指向上游為正；Z軸以豎直向上方向?yàn)檎?。拐彎型河道?kù)盤(pán)有限元模型主要采用六面體八節(jié)點(diǎn)等參單元，部分區(qū)域采用五面體六節(jié)點(diǎn)等參單元。

有限元?jiǎng)澐郑孩賶误w部位：河床壩段壩高為300 m剖分6層，河床壩段壩頂厚約為12.2 m剖分2層，河床壩段壩底厚約為74.2 m剖分2層，共劃分144個(gè)單元，252各節(jié)點(diǎn)。②模型上游部分：上游5 km范圍內(nèi)均勻剖分成50層，5～10 km范圍內(nèi)均勻剖分成10層，此后每1 000 m剖分一層。③模型下游部分：下游1 km范圍內(nèi)均勻剖分成15層，1～2 km范圍內(nèi)均勻剖分成10層，2～3 km范圍內(nèi)均勻剖分成8層，3～4 km范圍內(nèi)均勻剖分成6層，4～5 km范圍內(nèi)均勻剖分成5層，此后每250 m剖分一層。④模型左右岸部分：左右岸1 km范圍內(nèi)均勻剖分10層，1～2 km范圍內(nèi)均勻剖分成5層，2～3 km范圍內(nèi)均勻剖分成3層，此后每1 000 m剖分一層。⑤壩基底部基巖：壩基底部500 km范圍內(nèi)均勻剖分成10層，500～2 km范圍內(nèi)均勻剖分15層，2～3 km范圍內(nèi)均勻剖分5層，3～4 km范圍內(nèi)均勻剖分3層，4～5 km范圍內(nèi)均勻剖分2層，此后每1 000 m剖分一層。拐彎型河道庫(kù)盤(pán)模型共有485 486個(gè)單元，506 214個(gè)節(jié)點(diǎn)。拐彎型河道庫(kù)盤(pán)有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 拐彎型河道庫(kù)盤(pán)整體有限元模型

圖2 拐彎型河道近壩區(qū)有限元模型

邊界條件：①庫(kù)盤(pán)模型底部邊界施加完全位移約束；②庫(kù)盤(pán)上下游側(cè)邊界施加順河向鏈桿約束；③庫(kù)盤(pán)左右岸邊界施加橫河向鏈桿約束。

力學(xué)參數(shù)：拐彎型河道庫(kù)盤(pán)有限元模型的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，庫(kù)盤(pán)基礎(chǔ)變形模量、密度逐漸增大，泊松比逐漸減小。

表1 拐彎型河道庫(kù)盤(pán)有限元模型物理力學(xué)參數(shù)

2 庫(kù)盤(pán)模型深度范圍影響因素分析

庫(kù)盤(pán)的變形受到庫(kù)盤(pán)范圍的影響，為了充分反映庫(kù)盤(pán)范圍引起的對(duì)庫(kù)盤(pán)變形的影響，重點(diǎn)研究庫(kù)盤(pán)的深度變化引起的對(duì)庫(kù)盤(pán)變形的影響。

2.1 特征點(diǎn)選取

為研究不同庫(kù)盤(pán)模型地基深度作用下的庫(kù)盤(pán)變形變化規(guī)律，在庫(kù)盤(pán)有限元模型計(jì)算中，假定庫(kù)盤(pán)模型地基深度改變，其他因素不變，據(jù)此開(kāi)展研究。選取拱冠梁壩踵、壩趾沉降位移，拱冠梁壩頂上游側(cè)向上游位移，距壩上游約150、500 m，以及距壩下游約160 m的沉降位移6個(gè)典型點(diǎn)的計(jì)算位移值，來(lái)研究拐彎型河道庫(kù)盤(pán)變形變化規(guī)律，沉降量取向下沉降為正，壩頂位移取向上游位移為正。典型點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。

2.2 模型計(jì)算

拐彎型河道庫(kù)盤(pán)模型計(jì)算：上游方向取30 km、下游方向取10 km、左右岸寬度取10 km、壩前水深295 m固定不變；模型地基深度1～10 km每遞增1 km計(jì)算一次，共10組數(shù)據(jù)。

圖3 拐彎型河道典型點(diǎn)位置示意圖

拐彎型河道庫(kù)盤(pán)模型地基深度變化有限元模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2及圖4～圖8。

表2 拐彎型河道庫(kù)盤(pán)模型不同地基深度下典型點(diǎn)位移

圖4 拐彎型河道庫(kù)盤(pán)模型不同地基深度下典型點(diǎn)位移

圖5 拐彎型河道模型有限元模型沉降位移等值云圖(豎直向上為正)

圖6 拐彎型河道模型近壩區(qū)有限元模型沉降位移等值云圖(豎直向上為正)

圖7 拐彎型河道模型地基深度為10km時(shí)上下游壩體沉降等值云圖(豎直向上為正)

圖8 拐彎型河道模型地基深度為1km時(shí)上下游壩體沉降等值云圖(豎直向上為正)

3 結(jié) 論

從表2、圖5～圖8可以看出，隨著庫(kù)盤(pán)模型地基深度的逐漸增加，6個(gè)典型點(diǎn)沉降量增加，初始增量較大，但增量隨上游河道長(zhǎng)度的增加而減小，很快收斂；拱冠梁向上游位移值也逐漸增大，增量不大，且增量隨上游河道長(zhǎng)度的增加而減小，逐漸收斂。壩體最大順河向變形由1/4拱梁壩頂向拱冠梁壩頂轉(zhuǎn)移。