李響

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110003）

1 工程背景

趙家堡子水電站位于遼寧丹東鳳城愛(ài)河干流上，為當(dāng)?shù)匾?guī)劃建設(shè)的重要水電工程，工程建成之后對(duì)緩解當(dāng)?shù)仉娏?yīng)緊張，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要作用。該水電站為徑流式水電站，設(shè)置4臺(tái)4 200 kW的貫流式水力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為16 800 kW。水電工程設(shè)計(jì)庫(kù)容為1 550萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇。水電站設(shè)計(jì)壩高56.0 m，壩頂寬10.0 m，上游壩坡的坡比為1∶1.4，鑲嵌混凝土面板的長(zhǎng)度為126.77 m，頂部厚度為0.4 m，底部厚度為0.7 m，面板為C30混凝土澆筑[1]。趙家堡子水電站位于愛(ài)河的河谷地帶，大壩位于覆蓋層厚度達(dá)135 m 的深厚覆蓋層上。鑒于覆蓋層厚度較大，如果采用全封閉防滲墻，不僅工程投資將明顯增大，也會(huì)面臨較大的施工困難，因此采用懸掛式防滲墻設(shè)計(jì)[2]，防滲墻采用C30混凝土澆筑，厚1.0 m、深82.0 m。顯然，懸掛式防滲墻并沒(méi)有深入到壩基的基巖內(nèi)部，因此，在大壩建設(shè)和運(yùn)行期間會(huì)受到比較復(fù)雜的應(yīng)力影響[3]。為了保證大壩建設(shè)運(yùn)行期間的安全穩(wěn)定，特別是防滲墻防滲性能的有效發(fā)揮，有必要對(duì)其應(yīng)力變形進(jìn)行深入研究和分析，為大壩的建設(shè)和運(yùn)行管理提供必要的建議。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

趙家堡子水電站壩基部位復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，不僅給大壩建設(shè)造成明顯的不利影響，也給大壩的受力分析造成一定的困難。從前期的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果來(lái)看，大壩壩基部位的覆蓋層主要包括7 個(gè)層次結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于大壩左岸和右岸高程相差較大，且壩基覆蓋層的厚度和結(jié)構(gòu)也存在比較明顯的差異。因此，在研究分析過(guò)程中，分別選擇位于大壩左岸和右岸的0+086 m 和0+154 m 斷面進(jìn)行建模分析。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程，提高模型計(jì)算的效率，建模過(guò)程中在不影響計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上，對(duì)大壩的壩體和覆蓋型結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。主要考慮大壩基巖、防滲墻、大壩壩殼分區(qū)、壓重平臺(tái)以及大壩上下游馬道，而其余的細(xì)微結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響極為有限，在建模過(guò)程中不予考慮[4]。

確定合理的計(jì)算區(qū)域?qū)μ岣哂?jì)算結(jié)果的精度同時(shí)保證計(jì)算效率具有重要意義。研究中結(jié)合該領(lǐng)域的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，確定計(jì)算模型的上下游邊界分別向大壩的上游和下游方向延伸2 倍壩高和1 倍壩高。鑒于大壩的壩基部位具有厚度較大的覆蓋層，為了保證模型計(jì)算結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性，模型下部邊界為基巖上表面向下延伸1 倍壩高[5]。幾何模型沿壩軸線(xiàn)指向左岸的方向?yàn)閅軸正方向，以垂直于Y軸指向下游的方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸的正方向。由于壩基覆蓋層分層較多且對(duì)防滲墻的工作狀態(tài)，特別是受力情況存在不同的影響，因此按照覆蓋層的主要結(jié)構(gòu)，對(duì)壩基部位沿高度方向進(jìn)行5 層網(wǎng)格剖分，為了模擬防滲墻和周?chē)鷰r土體的相互作用，在接觸面上設(shè)置無(wú)厚度網(wǎng)格單元。鑒于混凝土防滲墻和周?chē)膸r土體具有相似的屬性，因此采用摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬[6]。對(duì)構(gòu)建的幾何模型進(jìn)行四邊形網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，其中?+086 m 斷面和0+154 m 斷面分別劃分為34 687 和32 366 個(gè)計(jì)算單元，如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

要取得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，必須要依靠合理的模型材料物理力學(xué)參數(shù)。研究中，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，確定模型材料物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算荷載

結(jié)合計(jì)算的目的和要求以及趙家堡子水電站大壩的實(shí)際情況，計(jì)算過(guò)程中考慮的主要荷載：一是大壩的壩體和壩基的自重；二是大壩壩體上下游的水壓力；三是大壩壩基的滲透壓力[7]。由于趙家堡子水電站為面板堆石壩設(shè)計(jì)，且混凝土面板下還設(shè)有復(fù)合土工膜，壩體內(nèi)部的堆石體并不會(huì)受到明顯的滲流影響。綜上，電站在運(yùn)行過(guò)程中的庫(kù)水位升降變化不會(huì)對(duì)壩體內(nèi)部的浸潤(rùn)線(xiàn)分布造成顯著影響，可不考慮庫(kù)水位升降變化。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 防滲墻變形特征分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)趙家堡子水電站蓄水運(yùn)行期間防滲墻兩個(gè)典型斷面的水平和沉降位移進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出，大壩受到上游庫(kù)水位壓力的作用，懸掛式防滲墻受到上游庫(kù)水荷載的作用，呈現(xiàn)出整體向下游變形的特點(diǎn)。從兩個(gè)典型斷面的對(duì)比來(lái)看，0+086 m 斷面的整體位移變形相對(duì)較大，0+154 m 斷面的整體變形相對(duì)較小，最大水平位移量為356 mm。由于懸掛式防滲墻頂部?jī)H40 m，水頭造成的庫(kù)水壓力幾乎完全由防滲墻承擔(dān)，同時(shí)防滲墻的底部沒(méi)有深入基巖，底部的支撐作用較弱，在運(yùn)行之后會(huì)產(chǎn)生一定的沉降變形，最大沉降變形量約為84 mm。從位移變形的縱向分布規(guī)律來(lái)看，墻體頂部的水平位移量較大，隨著深度的逐步增加，墻體的水平位移量逐漸減小。

3.2 墻體受力特征分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)趙家堡子水電站蓄水運(yùn)行期間防滲墻兩個(gè)典型斷面的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2 所示。由表2 計(jì)算結(jié)果可知，在趙家堡子水電站蓄水運(yùn)行之后，由于受到庫(kù)水壓力的作用，防滲墻應(yīng)力有明顯的增加，相對(duì)而言，0+086 m 斷面的應(yīng)力值相對(duì)較大，0+154 m 斷面的應(yīng)力值相對(duì)較小，最大主應(yīng)力值為9.89 MPa，出現(xiàn)在0+086 m 斷面345.00 m 高程附近。這一數(shù)值遠(yuǎn)小于C30混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此不會(huì)產(chǎn)生破壞。此外，0+086 m 斷面在蓄水后全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，頂部的應(yīng)力值相對(duì)較小，深部的應(yīng)力值相對(duì)較大，而0+154 m 斷面的頂部存在一個(gè)最大應(yīng)力為1.21 MPa 的受拉區(qū)域，主要位于385.00 m 高程部位。由于最大拉應(yīng)力值較大，該部位有受拉破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在大壩建成運(yùn)行期間，需要重點(diǎn)關(guān)注該部位防滲墻的安全性，一旦發(fā)現(xiàn)墻體存在裂縫應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

圖2 位移分布計(jì)算結(jié)果

表2 墻體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

4 結(jié)論

防滲墻是大壩防滲的重要部分，對(duì)保證大壩的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。此次研究以遼寧省趙家堡子水電站為例，利用數(shù)值模擬研究的方法，探討和分析了大壩壩基懸掛式防滲墻在大壩運(yùn)行期的力學(xué)位移特征：從位移變形來(lái)看，防滲墻的變形量不大，不會(huì)對(duì)其安全運(yùn)行造成顯著影響。從應(yīng)力分布來(lái)看，運(yùn)行期防滲墻的壓應(yīng)力有明顯的增加，但不會(huì)超過(guò)C30 混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此不會(huì)發(fā)生受壓破壞，防滲墻總體安全、可靠。但是，在大壩運(yùn)行期間，防滲墻的頂部部分區(qū)域存在受拉區(qū)域，且拉應(yīng)力值較大，存在受拉破壞的風(fēng)險(xiǎn)，需要重點(diǎn)關(guān)注防滲墻的受拉區(qū)域等脆弱部位，一旦發(fā)現(xiàn)墻體破壞需要及時(shí)采取工程補(bǔ)救措施。