馮天駿，陳 陽(yáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

重力壩是一種古老而迄今應(yīng)用仍很廣泛的壩型，因主要依靠自重維持穩(wěn)定而得名。按照重力壩頂部是否泄放水流的條件，可分為溢流壩段和非溢流壩段[1]。溢流壩段既是擋水建筑物，也是泄水建筑物，其主要作用為擋水、泄洪，同時(shí)又要兼顧沖沙、排污、排漂及排冰等[2]，是重力壩的重要組成部分。

在國(guó)際工程中，業(yè)主和總承包商對(duì)投資造價(jià)的管控往往較為嚴(yán)格，對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)體型的設(shè)計(jì)優(yōu)化要求較高。因此選擇一個(gè)既滿足結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求，又工程量最小、施工較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)體型，是重力壩設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)和關(guān)鍵[3]。為節(jié)約工程成本，在色拉龍一級(jí)水電站設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)溢流壩段體型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅度的優(yōu)化，在此前提下，應(yīng)當(dāng)更加全面地穩(wěn)妥地對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行安全性穩(wěn)定性的計(jì)算與論證。

本文通過(guò)三維有限元方法，對(duì)老撾色拉龍一級(jí)水電站溢流壩段優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行了全面的仿真與計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)溢流壩段結(jié)構(gòu)體型的安全性、穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與論證。

1 工程概述

老撾色拉龍一級(jí)水電站位于老撾中部的沙灣拿吉省色邦亨河的支流色拉龍河下游河段。壩址控制流域面積2 879 km2，壩址多年平均流量90.6 m3/s。水庫(kù)正常蓄水位215.00 m，相應(yīng)庫(kù)容8.81億m3，死水位206.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容2.84億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，采用壩式開(kāi)發(fā)。樞紐工程由混凝土擋水壩、溢流壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開(kāi)關(guān)站組成，最大壩高64.5 m，額定水頭46 m，最大引用流量171 m3/s，電站裝機(jī)容量70 MW，安裝2臺(tái)混流式機(jī)組，年平均發(fā)電量為2.699億kW·h。

色拉龍一級(jí)水電站溢流壩段共分3個(gè)壩段，各壩段長(zhǎng)度分別為24 m、23 m、24 m，總長(zhǎng)71 m。壩頂高程219.50 m，最低建基面高程155.00 m，最大壩高64.5 m，壩基底寬53 m，上游壩坡175.00 m高程以上為鉛直面，以下為1：0.4斜坡。共布置4孔14 m×17 m的泄洪表孔，表孔堰頂高程198.00 m，堰面采用開(kāi)敞式堰面曲線，頂部向上游懸出5.5 m。閘墩長(zhǎng)度36 m，閘墩厚度3 m，表孔溢流壩同時(shí)作為排污通道參與水庫(kù)排污。

2 計(jì)算模型和計(jì)算方案

2.1 計(jì)算模型

色拉龍一級(jí)水電站3個(gè)溢流壩段中(11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)壩段)，11號(hào)、13號(hào)壩段體型完全相同，因此選取11號(hào)、12號(hào)兩個(gè)壩段建立三維有限元模型分別進(jìn)行計(jì)算。模型主要包括混凝土壩體上部結(jié)構(gòu)，壩體下部墊層結(jié)構(gòu)以及地基基礎(chǔ)。

溢流壩段混凝土結(jié)構(gòu)采用SOLID185單元。建模過(guò)程中，充分考慮了壩身兩種不同類(lèi)型混凝土的分區(qū)；突出了灌漿廊道、排水廊道、壩底泵房、集水井、邊墻、檢修閘門(mén)槽、邊墻上支鉸中心點(diǎn)、油缸支鉸中心點(diǎn)以及工作閘門(mén)牛腿支墩等。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的特征，對(duì)網(wǎng)格的疏密程度加以控制，盡可能地在應(yīng)力集中部位和主要構(gòu)件上細(xì)化單元，以提高計(jì)算精度，在應(yīng)力分布比較平緩或者受力較小的大體積混凝土部分，采用較大的網(wǎng)格，以降低計(jì)算工作量。

地基部分采用SOLID185單元，建模過(guò)程中充分考慮了地基三種不同巖體的分層。壩體底部與地基的作用較為復(fù)雜，二者之間傳遞壓應(yīng)力，而不傳遞拉應(yīng)力；基底巖體間存在摩擦應(yīng)力，因此選用無(wú)厚接觸單元CONTA173和TARGE170來(lái)模擬地基與壩體之間的作用。計(jì)算中，將壩體底面設(shè)為剛性目標(biāo)面，將地基與壩體接觸面設(shè)為柔性接觸面。法向接觸力只有壓力，切向接觸條件為庫(kù)倫摩擦模型。

11號(hào)溢流壩段整體單元總數(shù)60 519個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)66 930個(gè)；12號(hào)溢流壩段整體單元總數(shù)57 891個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)63 755個(gè)。計(jì)算模型如圖1～6所示。

圖1 11號(hào)溢流壩段整體有限元模型

圖2 12號(hào)溢流壩段整體有限元模型

圖3 11號(hào)溢流壩段壩體結(jié)構(gòu)有限元模型

圖4 12號(hào)溢流壩段壩體結(jié)構(gòu)有限元模型

圖5 壩體內(nèi)部集水井及泵房細(xì)部結(jié)構(gòu)

圖6 閘墩上牛腿支墩細(xì)部結(jié)構(gòu)

2.2 計(jì)算參數(shù)與計(jì)算荷載

根據(jù)計(jì)算工況及相應(yīng)的荷載組合，需要考慮的計(jì)算荷載有：自重、靜水壓力、淤沙壓力、泄洪時(shí)的動(dòng)水壓力、揚(yáng)壓力(浮托力和滲透壓力)、地震荷載等。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照中國(guó)國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，各項(xiàng)荷載按《水工混凝土建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5077-1997)以及《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35047-2015)進(jìn)行考慮并施加到相應(yīng)的部位。

根據(jù)特征水位表(見(jiàn)表1)，將靜水壓力按照分布面力的形式加載在特征水位線以下的結(jié)構(gòu)作用面上。當(dāng)工作閘門(mén)和檢修閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，還要考慮傳遞給門(mén)槽或者牛腿支墩的靜水壓力值。壩基底面揚(yáng)壓力考慮帷幕灌漿和廊道排水，滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)取0.25。浮托力大小按下游水位計(jì)算。

表1 色拉龍一級(jí)水電站水庫(kù)特征水位

色拉龍一級(jí)水電站工程等別為二等，工程規(guī)模為大(Ⅱ)型，擋水泄水建筑物為二級(jí)壅水建筑物，工程抗震設(shè)防類(lèi)別為乙等。根據(jù)中國(guó)國(guó)家地震局地質(zhì)研究所《世界活動(dòng)構(gòu)造、核電站、高壩和地震烈度分布圖》分析，工程區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度。相應(yīng)的地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g。根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35047-2015)1.0.2條規(guī)定“設(shè)計(jì)烈度為Ⅵ度時(shí)，可不進(jìn)行抗震計(jì)算，但仍應(yīng)按本規(guī)范適當(dāng)采取抗震措施”。出于對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的考慮，實(shí)際計(jì)算中仍然進(jìn)行地震工況的計(jì)算，地震峰值加速度為0.07 g，計(jì)算采用擬靜力法，在順?biāo)飨蚝痛怪彼飨蚍謩e加載相應(yīng)的地震峰值加速度，以驗(yàn)證地震工況下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

選取的工況及相應(yīng)的荷載如表2所示。

表2 計(jì)算工況組合

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移成果分析

根據(jù)各工況下的位移計(jì)算成果，順?biāo)鞣较蛏?，溢流壩段主體結(jié)構(gòu)的最大位移都發(fā)生在壩頂?；A(chǔ)面順河向位移較小，最大位移在1～2 mm范圍內(nèi)；垂直水流方向上除地震工況外，壩體整體結(jié)構(gòu)未見(jiàn)較大的位移或者變形。地震工況下，受垂直水流方向地震荷載作用，壩體上出現(xiàn)了一定的位移，位移最大值為11.522 mm，在可控范圍內(nèi)。12號(hào)壩段的右側(cè)閘邊墩受單側(cè)閘門(mén)荷載以及過(guò)流動(dòng)水壓力的作用，在垂直水流方向出現(xiàn)了一定的位移，但位移值仍在控制范圍內(nèi)；豎直方向上，壩體的位移沉降在5～8 mm內(nèi)，發(fā)生在壩底壩趾處?？傮w而言，溢流壩段在各工況下均未出現(xiàn)較為明顯的變形和位移，上游基礎(chǔ)底面未見(jiàn)脫開(kāi)，整體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)滑移或傾覆，位移和變形均在可控范圍內(nèi)。各個(gè)工況下溢流壩段結(jié)構(gòu)各向位移見(jiàn)表3～4。各典型工況下位移云圖如圖7～8所示。

表3 11號(hào)溢流壩段計(jì)算工況及位移極值

表4 12號(hào)溢流壩段計(jì)算工況及位移極值

圖7 正常蓄水位工況下11號(hào)壩段順?biāo)飨蛭灰圃茍D(單位：m) 圖8 正常蓄水位工況下12號(hào)壩段順?biāo)飨蛭灰圃茍D(單位：m)

3.2 應(yīng)力成果分析

根據(jù)各工況下溢流壩段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知：溢流壩段流道邊墻上支墩牛腿以及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)點(diǎn)處，出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力集中。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在校核洪水位工況(工作閘門(mén)開(kāi)啟瞬間)，主要由于閘門(mén)啟動(dòng)瞬間，閘門(mén)支鉸點(diǎn)在原有的荷載基礎(chǔ)上，對(duì)牛腿支墩還將產(chǎn)生額外的慣性力作用。

12號(hào)溢流壩右側(cè)閘墩受單側(cè)閘門(mén)荷載以及過(guò)流動(dòng)水壓力的作用，右側(cè)閘門(mén)的與壩體之間交界處存在一定的拉應(yīng)力集中。

壩踵處的灌漿排水廊道在完建未擋水工況下出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力集中，拉應(yīng)力最大值為0.91 MPa。其余運(yùn)行期各工況下該部位所受拉應(yīng)力很小，在0.2～0.4 MPa之間。

總體而言，溢流壩體結(jié)構(gòu)所受壓應(yīng)力都在允許范圍內(nèi)；部分結(jié)構(gòu)存在一定的拉應(yīng)力集中，但通過(guò)配筋即可滿足要求；對(duì)于最為關(guān)心的壩體上游面，未出現(xiàn)大范圍的拉應(yīng)力集中。根據(jù)應(yīng)力分布計(jì)算所得的單寬配筋建議值如表5所示。典型工況下應(yīng)力云圖如圖9～10所示。

圖9 地震工況下11號(hào)壩段第一主應(yīng)力云圖(單位：MPa) 圖10 地震工況下12號(hào)壩段第一主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

表5 配筋結(jié)果計(jì)算匯總

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)色拉龍一級(jí)水電站兩個(gè)溢流壩段整體應(yīng)力位移的計(jì)算分析可知，除局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力集中外，溢流壩段整體應(yīng)力與位移在合理可控范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)大幅度優(yōu)化的溢流壩段壩體結(jié)構(gòu)，既減小了工程量，降低了投資，也滿足了相關(guān)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性的要求，同時(shí)，設(shè)計(jì)安全可靠，優(yōu)化合理明顯，符合相關(guān)規(guī)范的要求。經(jīng)有限元計(jì)算所得的單寬配筋建議值，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算所得的配筋參數(shù)更為精確合理，對(duì)工程的施工具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。