彭兆軒，吳 濤，李 江

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

沖砂泄洪閘是水利工程中運(yùn)用較為廣泛的泄水建筑物，尤其是在水庫(kù)泄水工程中運(yùn)用極為普遍，而沖砂泄洪閘兩側(cè)的導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)又是保證水庫(kù)安全泄洪的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)的研究顯得極為重要。劉曉平[1]等人以某低水頭電站為實(shí)例，采用物理模型與數(shù)值分析相結(jié)合的方法分析了導(dǎo)墻的布置形式對(duì)進(jìn)水口流態(tài)的影響。邵凱、冉堯、張生財(cái)?shù)热薣2- 4]通過(guò)對(duì)導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)形式的不斷優(yōu)化，提高了效能效率，降低了水流對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的沖刷，實(shí)現(xiàn)了水流平穩(wěn)順暢的進(jìn)入下游河道。程帥、杜占科等人[5- 6]將簡(jiǎn)單面上的抗滑穩(wěn)定有限元分析方法加以改進(jìn)，推廣到復(fù)雜地基面上，結(jié)合有限元軟件進(jìn)行了溢洪道導(dǎo)墻抗滑穩(wěn)定分析。黃耀華、李振龍等人[7- 8]應(yīng)用大型通用有限元軟件對(duì)溢洪道導(dǎo)墻壩段進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算，得到了溢洪道導(dǎo)墻壩段及主要部位的大、小主應(yīng)力。練繼建等人[9]以某大型水電站導(dǎo)墻為研究對(duì)象，建立了結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估流程體系，簡(jiǎn)要分析了導(dǎo)墻的裂縫成因。魏麗琴等人[10]將物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合，得到導(dǎo)流明渠進(jìn)口導(dǎo)墻體型方案。陳玲玲等人[11]以三峽溢流壩左導(dǎo)墻為研究對(duì)象，在總結(jié)了水彈性模型流激振動(dòng)試驗(yàn)和相應(yīng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)墻模型結(jié)構(gòu)和原型結(jié)構(gòu)做了流激振動(dòng)響應(yīng)分析比較，最后對(duì)導(dǎo)墻安全度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。涂小兵等人[12]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)明渠導(dǎo)墻采取工程措施可以滿足30年或50年一遇的超標(biāo)準(zhǔn)洪水，而對(duì)100年一遇的超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)采用基坑預(yù)充水過(guò)流的防洪方案。

通過(guò)上述眾多研究不難發(fā)現(xiàn)，大部分研究?jī)H僅針對(duì)導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)本身，并沒(méi)有考慮相鄰結(jié)構(gòu)或外部因素對(duì)導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及應(yīng)力的影響研究。本文利用大型通用有限元軟件ABAQUS，針對(duì)某重力壩泄洪閘左導(dǎo)墻壩段進(jìn)行三維實(shí)體建模，并分析了導(dǎo)墻壩段抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力特性對(duì)孔口寬度的敏感性。

1 計(jì)算原理

水利工程中分析導(dǎo)墻壩段抗滑穩(wěn)定主要方法與重力壩的抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法相似，大都采用剛體極限平衡法、有限元法和地質(zhì)模型試驗(yàn)法，在水工計(jì)算中常采用前兩種計(jì)算方法[13- 20]。依據(jù)SL319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]，在基本荷載組合和特殊荷載組合下運(yùn)用剛體極限平衡法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。對(duì)于左導(dǎo)墻壩段按抗剪和抗剪斷強(qiáng)度公式分別計(jì)算。

K′=(f′∑W+C′A)/∑P

(1)

式中，K′—按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′—抗剪斷摩擦系數(shù)；∑W—作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的法向分值，kN；C′—抗剪斷凝聚力，kPa；A—壩基接觸面面積，m2；∑P—作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值，kN。

K=f∑W/∑P

(2)

式中，K—按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f—抗剪摩擦系數(shù)。

2 計(jì)算方法

根據(jù)上述計(jì)算原理，通過(guò)大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)某重力壩泄洪閘左導(dǎo)墻壩段進(jìn)行三維有限元分析。首先按照面積相等原則，采用矩形斷面模擬防滲帷幕所在的地基橫斷面。同時(shí)，對(duì)排水孔幕所在的地基橫斷面，采用基于滲流量和水頭等價(jià)原則的“以縫代井列”方法進(jìn)行等效模擬。計(jì)算并提取出各典型斷面處的揚(yáng)壓力，代入抗剪和抗剪斷公式中進(jìn)行左導(dǎo)墻壩段的側(cè)向穩(wěn)定計(jì)算。

采用降溫法模擬錨索預(yù)應(yīng)力的施加過(guò)程。降溫法指的是在材料定義中定義材料的溫度膨脹系數(shù)，然后定義溫度降低數(shù)值，達(dá)到給預(yù)應(yīng)力錨索施加預(yù)應(yīng)力的目的。通過(guò)降溫法計(jì)算錨索應(yīng)力的公式[22]：

σ=α·E·ΔT

(3)

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

某水庫(kù)攔河擋水建筑物為重力壩，壩頂高程247.00m，最大壩高58.00m，正常蓄水位241.00m，總庫(kù)容3.25億m3。樞紐布置從右至左分別為右岸非溢流壩段、右7孔沖砂泄洪閘壩段、右導(dǎo)墻壩段、左5孔沖砂泄洪閘壩段、左導(dǎo)墻壩段、主機(jī)間壩段、安裝間壩段等，共19個(gè)壩段。樞紐區(qū)巖性為石英絹云母千枚巖夾含炭質(zhì)絹云母千枚巖、炭質(zhì)絹云母石英千枚巖，裂隙較為發(fā)育，鉆孔R(shí)QD平均值小于25%，巖體完整性較差。河床覆蓋層為沖積砂卵礫石，厚3.25～9.57m，基巖深槽部位厚14.22～18.17m。

左導(dǎo)墻壩段范圍為：壩左0+094.50m～壩左0+124.50m，壩上0+013.00m～壩下0+063.50m。左導(dǎo)墻墻頂高程為247.00m，最大高度為47.00m。左導(dǎo)墻既是泄洪閘的左邊墩，又是廠房的右邊墻。左導(dǎo)墻壩段在壩下0+017.00處設(shè)置有結(jié)構(gòu)縫。左五孔設(shè)計(jì)最大單寬流量達(dá)161m2/s，堰面最大流速約為20m/s，屬于典型的低水頭，大單寬泄量閘壩式水利樞紐。左導(dǎo)墻壩段建基面高程200.00～205.00m，建基面巖體為弱風(fēng)化及微風(fēng)化千枚巖。

3.2 計(jì)算模型及邊界條件

根據(jù)泄洪閘左導(dǎo)墻壩段布置及其結(jié)構(gòu)特征，運(yùn)用美國(guó)SIMULIA公司開(kāi)發(fā)的大型有限元軟件ABAQUS進(jìn)行三維建模計(jì)算。左導(dǎo)墻壩段無(wú)強(qiáng)風(fēng)化巖層，弱風(fēng)化帶厚0～2.33m，弱風(fēng)化底板高程一般在200m，建基面以下約20m處有一條由右岸傾向左岸的斷裂帶。根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)及本工程實(shí)際地質(zhì)條件，計(jì)算模型基礎(chǔ)的選取范圍考慮為結(jié)構(gòu)尺寸的1～2倍。有限元模型取導(dǎo)墻完整壩段，地基深度為87m，深入斷裂帶以下約67m；左側(cè)地基為56.00m、溢流堰右側(cè)地基為66.00m；導(dǎo)墻上、下游側(cè)的地基長(zhǎng)度為88.50m，選取范圍約為導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)尺寸的1.5倍。預(yù)應(yīng)力錨索采用桿單元模擬，利用降溫法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加，計(jì)算模型基本采用六面體實(shí)體單元，由于導(dǎo)墻內(nèi)部灌漿排水廊道錯(cuò)綜復(fù)雜以及壩基巖體內(nèi)斷裂帶的存在，因此廊道及斷裂帶周圍采用了部分的四面體單元過(guò)度，左導(dǎo)墻模型共62116個(gè)節(jié)點(diǎn)，40966個(gè)單元。本次計(jì)算選用笛卡爾直角坐標(biāo)系，X軸方向?yàn)閴屋S向，從右岸指向左岸為正向；Y軸方向?yàn)轫樅酉?，從下游指向上游為正向；Z軸方向?yàn)樨Q向，沿壩高方向從下向上為正向。泄洪閘左導(dǎo)墻壩段三維有限元模型如圖1所示。

地基上游側(cè)和下游側(cè)分別施加y向約束，左側(cè)和右側(cè)分別施加x向約束，底部施加全約束，即固定支座。導(dǎo)墻壩段和壩基的接觸面通過(guò)設(shè)置Goodman接觸面單元考慮其不連續(xù)變形特性。接觸面模型參數(shù)參照類似工程經(jīng)驗(yàn)選取，見(jiàn)表1。

表1 Goodman接觸面模型參數(shù)

3.3 基本假定及材料基本參數(shù)

本次對(duì)該重力壩泄洪閘左導(dǎo)墻壩段三維有限元計(jì)算做如下基本假定：

(1)材料的密度、彈性模量、泊松比以及滲透系數(shù)等參數(shù)假定為各向同性。

通常情況下，祈使語(yǔ)氣的都是具有較高社會(huì)地位的人對(duì)于其下級(jí)或下屬使用。在政治類演講語(yǔ)篇中，演說(shuō)者的地位都較于聽(tīng)眾較高，因此，他們?cè)谧约旱难菡f(shuō)中使用祈使語(yǔ)氣代替陳述語(yǔ)氣能更好地凸顯他們所要表達(dá)的觀點(diǎn)，體現(xiàn)自己的權(quán)威性。

(2)壩體混凝土和微風(fēng)化巖體按線彈性模型考慮，壩基接觸面按彈塑性模型考慮。

(3)考慮到左導(dǎo)墻壩段與相鄰壩段間均設(shè)置伸縮縫，不計(jì)相鄰壩段的影響。

本文對(duì)泄洪閘左導(dǎo)墻壩段三維有限元模型進(jìn)行滲流分析、抗滑穩(wěn)定分析以及應(yīng)力變形分析，計(jì)算所需的材料參數(shù)為泄洪閘左導(dǎo)墻壩段混凝土、基巖、灌漿帷幕以及排水孔幕的滲透系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 左導(dǎo)墻壩段混凝土及其他結(jié)構(gòu)材料的滲透系數(shù)

泄洪閘左導(dǎo)墻壩段各分區(qū)混凝土、預(yù)應(yīng)力錨索以及壩基巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 左導(dǎo)墻壩段各分區(qū)混凝土、預(yù)應(yīng)力錨索及壩基巖體的材料參數(shù)

3.4 計(jì)算方案

本次計(jì)算結(jié)合校核洪水位工況，針對(duì)左導(dǎo)墻壩段壩下0+015.25及壩下0+056.00兩個(gè)典型橫斷面，在保持溢流堰堰體長(zhǎng)度和高度均為原設(shè)計(jì)值的前提下，擬定了左導(dǎo)墻壩段右側(cè)泄洪閘孔口寬度B分別為3.0、4.5、6.0、7.5m共四種方案?；谏鲜鏊姆N寬度方案的滲流計(jì)算，確定兩個(gè)典型橫斷面在建基面處的揚(yáng)壓力分布，考慮結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、動(dòng)水壓力和揚(yáng)壓力等荷載作用，結(jié)合上述兩個(gè)典型橫斷面進(jìn)行左導(dǎo)墻壩段側(cè)向抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力關(guān)于泄洪閘孔口寬度的敏感性分析。左導(dǎo)墻典型縱、橫斷面示意圖如圖2—3所示。其中，左導(dǎo)墻壩段的典型縱斷面包括壩左0+099.00(左導(dǎo)墻壩段與沖砂泄洪閘閘堰銜接處)、壩左0+096.75(溢流堰壩段中心線)、壩左0+103.50(縱向灌漿排水廊道中心線)和壩左0+112.00(左導(dǎo)墻壩段中間部位)共4個(gè)縱斷面；左導(dǎo)墻壩段的典型橫斷面包括壩下0+015.25(交通排水廊道中心線)和壩下0+056.00(溢流堰臺(tái)階中間部位)共2個(gè)橫斷面。

圖2 左導(dǎo)墻各典型橫斷面示意圖

4 有限元計(jì)算結(jié)果分析

4.1 典型橫斷面揚(yáng)壓力水頭關(guān)于孔口寬度B的敏感性分析

通過(guò)對(duì)泄洪閘左導(dǎo)墻壩段的三維有限元滲流計(jì)算分析，可得出在不同孔口寬度B時(shí)，壩下0+015.25和壩下0+056.00兩個(gè)典型橫斷面在建基面處的揚(yáng)壓力水頭分布規(guī)律，如圖4—5所示。

由圖4—5可以看出，兩個(gè)典型橫斷面在建基面處的揚(yáng)壓力水頭分布規(guī)律基本一致，孔口寬度B越大，揚(yáng)壓力水頭下降越緩慢，但揚(yáng)壓力水頭下降幅度對(duì)孔口寬度的敏感性較弱，總體呈現(xiàn)出先驟降再逐步緩慢上升的分布特征。從溢流堰中心至溢流堰與導(dǎo)墻壩段連接處的揚(yáng)壓力水頭落差較大，降低幅度大概為83%左右；在壩左0+103.50處，揚(yáng)壓力水頭降至最低值；隨后雖有增加但增幅較小。這是因?yàn)樵趬巫?+103.50處設(shè)置了灌漿排水廊道和排水孔幕，所以在此處揚(yáng)壓力水頭最小，這也更加說(shuō)明了有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性與合理性。

4.2 典型橫斷面?zhèn)认蚩够€(wěn)定關(guān)于孔口寬度的敏感性分析

根據(jù)不同孔口寬度方案，結(jié)合壩下0+015.25及壩下0+056.00兩個(gè)典型橫斷面的三維有限元滲流計(jì)算所獲得的壩基揚(yáng)壓力結(jié)果，對(duì)上述兩個(gè)典型橫斷面分別按抗剪斷和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于特殊組合的校核洪水位工況按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′不應(yīng)小于2.5，按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K不應(yīng)小于1.0。

圖3 左導(dǎo)墻各典型縱、橫斷面示意圖

圖4 壩下0+015.25在建基面處揚(yáng)壓力水頭分布

圖5 壩下0+056.00在建基面處揚(yáng)壓力水頭分布

從表4可以看出，在不同孔口寬度的方案下，兩個(gè)典型橫斷面按抗剪強(qiáng)度公式和抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著孔口寬度的增加而增大，且均滿足泄洪閘左導(dǎo)墻壩段側(cè)向抗滑穩(wěn)定要求。從表4中只能反映出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著孔

表4 典型橫斷面在不同孔口寬度B下的側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

口寬度的增加而增加，無(wú)法判斷其對(duì)孔口寬度的敏感性強(qiáng)弱。為此，將不同孔口寬度計(jì)算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)相較上一級(jí)增加的幅度大小作為其敏感性強(qiáng)弱的判斷標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示。

圖6 各典型橫斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)增幅

從圖6中可以看出，隨著孔口寬度的增加，兩個(gè)典型橫斷面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)雖都有所增加，但其增長(zhǎng)幅度卻不同。壩下0+056.00處的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′隨著孔口寬度的增加，其增長(zhǎng)幅度上下波動(dòng)較大，所以該典型橫斷面的側(cè)向抗滑穩(wěn)定對(duì)孔口寬度較為敏感。其余橫斷面上的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)增幅雖略有波動(dòng)，但上下波動(dòng)較小，其對(duì)孔口寬度的敏感性較弱。

表5 兩個(gè)典型橫斷面在不同孔口寬度下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表 單位：kPa

4.3 典型橫斷面應(yīng)力關(guān)于孔口寬度B的敏感性分析

針對(duì)上述壩下0+015.25和壩下0+056.00兩個(gè)典型橫斷面，對(duì)不同孔口寬度方案分別在相應(yīng)的三維有限元模型下進(jìn)行應(yīng)力變形計(jì)算。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的符號(hào)約定如下：各向正應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)；各向剪應(yīng)力以其作用方向沿坐標(biāo)軸正向?yàn)檎?，以其作用方向沿坐?biāo)軸反向?yàn)樨?fù)。兩個(gè)典型橫斷面在不同孔口寬度下壩左0+099.00(左導(dǎo)墻壩段與沖砂泄洪閘閘堰銜接處)處的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，兩個(gè)典型橫斷面在壩左0+099.00處的壩軸向正應(yīng)力σx及豎向剪應(yīng)力τxz(τxz取絕對(duì)值)在不同孔口寬度上的分布情況如圖7—8所示。

圖7 壩下0+015.25橫斷面在壩左0+099.00處的壩軸向正應(yīng)力σx及豎向剪應(yīng)力τxz與孔口寬度關(guān)系圖

圖8 壩下0+056.00橫斷面在壩左0+099.00處的壩軸向正應(yīng)力σx及豎向剪應(yīng)力τxz與孔口寬度關(guān)系圖

從圖7—8應(yīng)力分布規(guī)律中可以看出，在上述四種孔口寬度方案下，典型橫斷面壩下0+015.25和壩下0+056.00在壩左0+099.00處沿壩軸向正應(yīng)力的分布規(guī)律基本一致，且兩個(gè)橫斷面沿壩軸向正應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在高程為200.00m的建基面處。壩下0+056.00在建基面處的正應(yīng)力σx隨著孔口寬度的增加，其增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于壩下0+015.25在建基面處的正應(yīng)力增長(zhǎng)幅度。由此可以看出，壩下0+056.00在建基面處的正應(yīng)力對(duì)孔口寬度更為敏感。兩個(gè)典型橫斷面在堰頂面的剪應(yīng)力τxz隨著孔口寬度的增加均呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，且壩下0+056.00的剪應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較大，其對(duì)孔口寬度更加敏感。堰中部和建基面處的剪應(yīng)力變化幅度較小，且壩下0+015.25在堰中部和建基面處的剪應(yīng)力總體呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì)，而壩下0+056.00則呈現(xiàn)出緩慢減小的趨勢(shì)，其對(duì)孔口寬度的敏感性較弱。

根據(jù)表5可知，壩下0+015.25沿壩軸向的最大拉應(yīng)力大小依次為1215.49、1261.73、1335.83和1552.93kPa。按應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，建基面沿壩軸向拉應(yīng)力應(yīng)小于1.10MPa。因此，四種孔口寬度方案在壩下0+015.25的壩軸向拉應(yīng)力均不滿足強(qiáng)度要求，還需進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。壩下0+056.00沿壩軸向的最大拉應(yīng)力大小依次為164.39、215.36、305.66和461.68kPa，均滿足強(qiáng)度要求，不存在因拉應(yīng)力過(guò)大而造成混凝土開(kāi)裂的問(wèn)題。兩個(gè)典型橫斷面壩下0+015.25和壩下0+056.00豎向最大剪應(yīng)力均未超過(guò)1.0MPa，且普遍偏小。根據(jù)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，其均滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)泄洪閘左導(dǎo)墻壩段的計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

(1)兩個(gè)典型橫斷面在建基面處的揚(yáng)壓力水頭總體呈現(xiàn)出先驟降再逐步緩慢上升的分布特征，其對(duì)孔口寬度的敏感性較弱。

(2)隨著孔口寬度的增加，兩個(gè)典型橫斷面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也隨之逐漸增大且均滿足側(cè)向抗滑穩(wěn)定要求。壩下0+056.00處的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′對(duì)孔口寬度較為敏感。

(3)兩個(gè)典型橫斷面沿壩軸向的σmax均出現(xiàn)在建基面處，τmax均出現(xiàn)在堰頂面，壩下0+056.00在建基面處的σ以及τ對(duì)孔口寬度更為敏感。導(dǎo)墻底部的最大拉應(yīng)力超出應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，建議進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。