趙 艷，尹華安，趙文光

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站攔河大壩采用雙曲拱壩，壩址區(qū)兩岸山體渾厚，谷坡陡峻，地形完整，無(wú)溝谷切割，河谷斷面呈較對(duì)稱的“U”形。

在拱壩澆筑時(shí)，對(duì)于壩體周邊部位，由于壩面與拱肩槽邊坡之間空隙狹小，需在一定高度的范圍內(nèi)，將大壩的混凝土澆筑成貼角的形式。除方便施工外，貼角本身還能加大拱壩底部的剛度，并對(duì)壩體周邊應(yīng)力和基礎(chǔ)部位的應(yīng)力傳遞起到一定的改善作用。貼角的布置設(shè)計(jì)是拱壩設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一。

本文對(duì)拱壩上下游貼角結(jié)構(gòu)形式、受力條件以及貼角對(duì)大壩的應(yīng)力應(yīng)變影響展開(kāi)研究，分析不同貼角方案的各個(gè)工況下，大壩、基礎(chǔ)應(yīng)力及變形狀態(tài)；根據(jù)分析成果，結(jié)合工程布置要求及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，提出推薦的貼角形式及布置方案。

2 基本條件

2.1 有限元計(jì)算范圍及結(jié)構(gòu)離散

溪洛渡雙曲拱壩壩頂高程610.0m，建基面高程324.5m。拱冠梁頂部厚度14.0m，底部厚度60.0m。計(jì)算中對(duì)壩體、周邊貼角結(jié)構(gòu)形式、壩基各類巖體和結(jié)構(gòu)面進(jìn)行模擬。壩體及壩基巖體采用空間8節(jié)點(diǎn)等參數(shù)實(shí)體單元，貼角橫縫及伸縮縫采用Goodman夾層單元。整體計(jì)算域共離散為150 160個(gè)節(jié)點(diǎn)和149 091個(gè)單元。

2.2 巖體強(qiáng)度與本構(gòu)模型

在貼角結(jié)構(gòu)形式的有限元分析中所采用的強(qiáng)度與本構(gòu)模型：

按低抗拉彈塑性模型分析，巖體材料開(kāi)裂條件用宏觀強(qiáng)度描述：

σii>Rt(i=1,2,3)

式中σii——表征應(yīng)力張量三個(gè)主應(yīng)力。

在分析中σii可能呈單向、雙向及三向開(kāi)裂情況，由程序自行校核并進(jìn)行剛度修正。

巖體是否進(jìn)入塑性狀態(tài)，按Druker-Prager準(zhǔn)則判別：

式中I1和J2——分別為應(yīng)力張量的第一不變量

應(yīng)力偏張量的第二不變量；

α，k——與巖體材料摩擦系數(shù)tanφ和凝聚力c有關(guān)的常數(shù)。

式中

對(duì)于壩體混凝土和置換混凝土，采用S.S.Hsigh四參數(shù)準(zhǔn)則：

其中A=2.010 8，B=0.971 4，C=9.141 2，D=0.231 2

定義Drucker-Prager準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的點(diǎn)強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)為：

仿照上述點(diǎn)強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)定義，定義混凝土的點(diǎn)安全系數(shù)為：

3 研究方案及綜合評(píng)價(jià)方法

3.1 貼角計(jì)算方案和荷載組合

為細(xì)致研究不同上下游貼角方案的壩體及基礎(chǔ)應(yīng)力狀態(tài)，擬定10個(gè)方案研究貼角的作用。主要分析比較周邊不設(shè)貼角與設(shè)置貼角的應(yīng)力狀態(tài)；上游不設(shè)貼角、設(shè)置中貼角、設(shè)置高貼角的方案對(duì)比；下游610m高程以下設(shè)貼角和416m高程以下設(shè)貼角的對(duì)比；416m高程以下高、中、低三種貼角方案對(duì)比；下游貼角設(shè)置伸縮縫的影響。通過(guò)對(duì)各個(gè)方案的綜合對(duì)比分析，確定相對(duì)最優(yōu)的貼角布置方案。

計(jì)算中的荷載組合考慮了自重+正常蓄水+溫降、自重+校核洪水+溫升等組合工況。

3.2 評(píng)價(jià)方法

對(duì)于各種貼角方案，通過(guò)計(jì)算得出大壩及貼角部位的應(yīng)力量值及分布、壩基點(diǎn)安全系數(shù)，并進(jìn)行以下3個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)：

(1)不同貼角方案的大壩應(yīng)力和變位情況，高應(yīng)力區(qū)分布范圍和量值，壩基的變形和應(yīng)力。

(2)地基點(diǎn)安全系數(shù)分布，點(diǎn)安全系數(shù)低值的范圍和深度。

(3)貼角部位本身的應(yīng)力狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)各個(gè)計(jì)算方案的綜合評(píng)價(jià)，確定貼角最終的設(shè)計(jì)方案。

4 貼角結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選分析

4.1 壩體變位及拱端變位

各個(gè)方案計(jì)算得出的壩體變位分布均勻、對(duì)稱。壩體最大順河向位移10.73～11.16cm，均出現(xiàn)在拱冠梁520m高程附近；拱端最大順河向位移2.28～2.51cm，出現(xiàn)在380m高程附近；拱端最大橫河向位移0.74～0.94cm，右岸出現(xiàn)在470m高程附近，左岸出現(xiàn)在530m高程附近。

總的來(lái)看，布置貼角的壩體變位小于不設(shè)貼角的變位，并且壩體變位隨著貼角方量的增大而呈減小的趨勢(shì)。

在下游貼角相同時(shí)，設(shè)置上游貼角對(duì)壩體變位的影響微弱，尤其是上游中貼角方案和高貼角方案之間差異很小，反映出壩體及基礎(chǔ)變形與上游貼角的關(guān)系不大。

下游貼角的高程對(duì)壩體變位具有一定的影響。由不同的下游貼角方案計(jì)算結(jié)果可以看出，壩體變位隨著貼角方量的增大而減小。下游416m高程以上貼角對(duì)下游橫河向位移的約束作用比對(duì)順河向位移的約束作用更為明顯。

下游貼角是否設(shè)伸縮縫對(duì)壩體變位影響微弱。

4.2 壩體應(yīng)力

各個(gè)方案計(jì)算得出的壩體應(yīng)力分布均勻，分布規(guī)律相似，高應(yīng)力區(qū)的出現(xiàn)部位差別不大。上游壩面最大主拉應(yīng)力-1.46～-1.72MPa，最大主壓應(yīng)力5.99～6.43MPa；下游壩面最大主拉應(yīng)力-0.21～-0.50MPa，最大主壓應(yīng)力10.12～11.53MPa。上游壩面主拉應(yīng)力、下游壩面主壓應(yīng)力極值均出現(xiàn)在低部高程拱端附近。

上游設(shè)置貼角壩踵拉應(yīng)力有所減小，上游貼角適當(dāng)加大，可以改善上游壩面的拉應(yīng)力極值，但對(duì)上游壓應(yīng)力極值影響不大。上游貼角的不同方案對(duì)下游壩面拉壓應(yīng)力影響微弱。

下游設(shè)置貼角對(duì)改善下游壩面拉、壓應(yīng)力特別是壓應(yīng)力效果顯著，并且壩趾主壓應(yīng)力過(guò)渡更加平順。貼角方量越大，應(yīng)力改善越明顯。在上游貼角相同的條件下，加高下游貼角可以略微改善上游壩面拉、壓應(yīng)力極值，壩踵拉應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力量值均有所減小。

通過(guò)對(duì)下游貼角設(shè)置高程的分析，下游416m高程以上貼角可以略微改善上游壩面拉壓應(yīng)力極值，而對(duì)改善下游壩面拉壓應(yīng)力作用微弱。

下游貼角是否設(shè)伸縮縫對(duì)壩體應(yīng)力影響很小。

4.3 貼角部位應(yīng)力和點(diǎn)安全系數(shù)

各個(gè)方案的貼角部位均處于受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)拉應(yīng)力；按照混凝土四參數(shù)準(zhǔn)則，貼角部位混凝土的點(diǎn)安全系數(shù)在5.9以上，貼角混凝土處于彈性工作狀態(tài)。

4.4 壩基點(diǎn)安全系數(shù)

各個(gè)方案計(jì)算得出的壩基點(diǎn)安全系數(shù)分布規(guī)律相似，沿拱壩周邊點(diǎn)安全系數(shù)大致隨高程降低而減小。

設(shè)置貼角與未設(shè)貼角方案相比較，中上部高程的壩基點(diǎn)安全系數(shù)相差不大，而低部高程的壩基點(diǎn)安全系數(shù)明顯提高，由不設(shè)貼角方案的1.0～1.5提高至設(shè)置貼角方案的1.5～2.0。

5 貼角設(shè)計(jì)方案

通過(guò)不同貼角方案分析成果，進(jìn)行壩體變形、壩體應(yīng)力、貼角結(jié)構(gòu)應(yīng)力、壩基點(diǎn)安全系數(shù)綜合比較，確定貼角布置方案(見(jiàn)圖1、2)。該方案具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)下游392m高程以下設(shè)置貼角，且與壩面進(jìn)行斜面倒角過(guò)渡。

(2)河床部位下游貼角至362m高程，往兩岸貼角高度逐漸均勻減小。河床部位設(shè)置階梯過(guò)渡，增大應(yīng)力擴(kuò)散面積，減小下游壩趾應(yīng)力集中程度。

(3)貼角分縫與相應(yīng)壩段橫縫一致，同大壩橫縫一起進(jìn)行接縫灌漿。貼角自身不設(shè)置伸縮縫。

(4)上游貼角采用中貼角方案，上游貼角與壩基巖體之間進(jìn)行脫開(kāi)處理。

6 貼角設(shè)計(jì)方案計(jì)算分析

對(duì)依據(jù)計(jì)算成果設(shè)計(jì)的貼角布置方案，進(jìn)行各種不同荷載工況下的壩體應(yīng)力計(jì)算，得出上、下游壩面的主應(yīng)力極值見(jiàn)表1。表中同時(shí)列出了不設(shè)置貼角的壩體應(yīng)力極值。

從壩體應(yīng)力分布看，設(shè)置貼角對(duì)壩體應(yīng)力分布規(guī)律影響很小，壩體應(yīng)力分布近于對(duì)稱；貼角設(shè)計(jì)方案較不設(shè)貼角方案，上、下游壩面拉壓應(yīng)力極值減小，并且下游壩面壓應(yīng)力分布得到改善，應(yīng)力分布更為平順。

圖1 溪洛渡拱壩貼角平面布置

圖2 溪洛渡拱壩下游貼角立面

貼角設(shè)計(jì)方案在各個(gè)工況下，下游貼角均處于受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。按照混凝土四參數(shù)準(zhǔn)則，貼角點(diǎn)安全系數(shù)在6.3以上，貼角處于彈性工作狀態(tài)。

對(duì)貼角設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行各種不同荷載工況下的基礎(chǔ)變形及壩基點(diǎn)安全系數(shù)計(jì)算，得出壩基各個(gè)高程基礎(chǔ)的點(diǎn)安全系數(shù)見(jiàn)表2。表中同時(shí)列出了不設(shè)置貼角的基礎(chǔ)點(diǎn)安全系數(shù)極值。

表1 溪洛渡拱壩上下游壩面主應(yīng)力 MPa

注：應(yīng)力以拉為負(fù)，以壓為正。

表2 貼角設(shè)計(jì)方案拱端點(diǎn)安全系數(shù)

從壩基礎(chǔ)點(diǎn)安全系數(shù)看，貼角設(shè)計(jì)方案沿拱壩周邊基礎(chǔ)點(diǎn)安全系數(shù)大致隨高程降低而減小，分布規(guī)律與不設(shè)貼角時(shí)相似。貼角設(shè)計(jì)方案改善了壩址處的應(yīng)力傳遞狀態(tài)，使低部高程的下游壩址處基礎(chǔ)的點(diǎn)安全系數(shù)有較顯著的提高；同時(shí)提高了壩體剛度，壩基變位比不設(shè)貼角時(shí)的變位減小，下游貼角處位移與大壩和巖體變形協(xié)調(diào)，變形梯度更為均勻。

7 結(jié) 論

在拱壩澆筑時(shí)，壩體周邊上、下游部位設(shè)置一定高度的貼角是必要的。通過(guò)合理地布置上、下游貼角，能方便施工，提供施工期及運(yùn)行期的交通便利，能加大拱壩底部的剛度，并對(duì)壩體周邊應(yīng)力和基礎(chǔ)部位的應(yīng)力傳遞起到一定的改善作用。

周邊貼角對(duì)壩體應(yīng)力和基礎(chǔ)點(diǎn)安全系數(shù)都會(huì)產(chǎn)生影響，應(yīng)結(jié)合拱肩槽開(kāi)挖的地形條件、壩基地質(zhì)條件、拱壩基本體形綜合考慮貼角的布置設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)壩體應(yīng)力分布的影響分析，壩體及基礎(chǔ)變形分析，貼角結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)分析，基礎(chǔ)點(diǎn)安全系數(shù)的影響分析，經(jīng)綜合比較確定相對(duì)最優(yōu)的貼角布置方案。

本文針對(duì)溪洛渡拱壩上下游貼角布置，分析不同貼角方案的各個(gè)工況下，大壩、基礎(chǔ)應(yīng)力及變形狀態(tài)；總結(jié)了不同貼角方案對(duì)壩體應(yīng)力及基礎(chǔ)點(diǎn)安全系數(shù)的影響規(guī)律；通過(guò)綜合比較，提出了推薦的貼角形式及布置方案。計(jì)算分析表明，貼角設(shè)計(jì)方案在改善壩身拉壓應(yīng)力、改善壩體和基巖的協(xié)調(diào)變位和應(yīng)力擴(kuò)散、提高壩肩點(diǎn)安全儲(chǔ)備等方面，均達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

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