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

盧玲 劉許超 包芬芬 · 2008-01-14 00:00 留言

 ?。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實際上也是由壩體的變形特點所決定的。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,可以得到以下幾點初步結(jié)論:

  (1)從計算結(jié)果看,無論是壩體還是面板的變形和應(yīng)力,均滿足設(shè)計要求。但因覆蓋層厚度不均,另外選取覆蓋層較為復(fù)雜的斷面,對于防滲面板部位的壩基覆蓋層進行了全挖、部分挖(用主堆石換填)和全保留的比較計算,結(jié)果同樣證明,部分覆蓋層挖除換填,適當(dāng)保留下部較硬巖石,再用重型震動碾壓實,是可行的。不同部位覆蓋層保留的深度,需進一步做多方面分析決定。

  (2)壩體沉降在庫底堆渣和次堆石區(qū)均有較大值,但最大值出現(xiàn)在次堆石區(qū),且壩體最大水平位移和最大沉降均略偏向下游。這是因為庫底堆渣在整個壩體中所占分量小于次堆石區(qū),壩體變形和應(yīng)力受次堆軟巖填筑區(qū)的影響占主要地位。但就目前的分區(qū)方案而言,次堆軟巖并未對壩體和面板構(gòu)成重大影響,并且實際施工時,壩體次堆后面存在壩后堆渣平臺。經(jīng)其他有關(guān)對壩后堆渣的分析表明,下游堆渣區(qū)的存在總體上看對改善壩體尤其是下游壩坡的穩(wěn)定性具有一定的效果,但對于改善壩體的變形尤其是瀝青混凝土面板的變形作用不大。

  另外據(jù)2007年3月份的觀測月報數(shù)據(jù)得知,主壩壩體最大沉降值1009mm位于主壩245.86斷面(左壩肩和河床接觸斷面)740.00高程的次堆石區(qū);主堆石區(qū)沉降量相對較小,一般在500mm。壩體填筑停止后,沉降也基本穩(wěn)定下來。目前大壩填筑已基本結(jié)束,雖尚未完全穩(wěn)定下來,仍存在微小的沉降量,但壩體沉降大部分已經(jīng)形成。

  可見,觀測值與計算值基本相符。

  (3)壩體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,而面板受此不均勻沉降的影響,反弧段附近受拉嚴(yán)重且出現(xiàn)拉應(yīng)變峰值。另外,面板反弧段下面對應(yīng)的覆蓋層越厚,反弧段拉應(yīng)變值越大。所以,面板反弧段是面板變形的敏感部位,且施工時該部位還不容易壓實。因此,應(yīng)該采用有效的工程措施來減小反弧段尤其是環(huán)行壩段反弧段的拉應(yīng)變以防止產(chǎn)生裂縫,如局部加厚瀝青混凝土和鋪設(shè)聚脂網(wǎng)格、覆蓋層局部換填處理、嚴(yán)格控制大壩各區(qū)回填料壓實質(zhì)量等。


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