西藏湘河水利枢纽坝体三维静力数值模拟分析

王 贇，张友利，何伟刚

（南京水利科学研究院江苏科兴项目管理有限公司，南京 210029）

数值模拟是水工、岩土方面较为常用的科研手段，与物理模型试验方法相比，具有建模简单、投资低、计算速度较快等优势，同时，数值模拟计算结果较为准确[1～5]。采用数值模拟方法可以准确分析水工建筑内部应力和变形位移分布情况，针对结构内部应力集中部位采取加强措施，避免结构出现破坏，影响工程的正常使用，可为工程设计提供参考[6～8]。

1 工程概况及数值模拟计算方法

西藏湘河水利枢纽采用碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝壳料采用砂砾石料，上游护坡高程4092 m以上采用M15浆砌鹅卵石护坡，高程4092 m以下采用干砌块石；下游坝坡采用框格梁鹅卵石护坡。防渗体采用碾压式沥青混凝土心墙，高程4079 m以上设3.0 m宽砂砾石过渡层，4079 m高程以下砂砾石过渡层4.0 m。坝基建基面开挖深度为2 m左右，通过强夯措施增加坝基强度，坝基防渗采用混凝土防渗墙+帷幕灌浆形式。数值模拟计算参数见表1。

表1 计算参数

2 坝体三维静力数值模拟研究

2.1 坝体应力及变形分析

表2为三维计算条件下坝体竣工期及蓄水期的应力、变形最大值统计表。

计算成果表明：

（1）竣工期大坝的竖向位移最大值为59.5 cm，占总坝高51 m 的1.17%，最大位移位于大坝与覆盖层交接的地方，这是由于覆盖层较为深厚，在坝体自重作用下也发生了一定程度的变形。蓄水后考虑了上游坝壳的浮力作用，坝体竖向位移最大值为57.5 cm；坝体水平向上游变形区域和数值减小，最大值为18.1 cm；向下游变形区域和数值有所增大，最大值为30.8 cm。

（2）蓄水后，坝体（不包括覆盖层，下同）大主应力最大值为-1.53 MPa，位于坝体底部，小主应力最大值为-0.45 MPa。从坝体应力水平来看，无论是竣工期还是蓄水期，坝体大部分应力水平均处于0.8 MPa 以下，说明坝体堆石抗剪强度尚存在较大的安全储备，难以发生剪切破坏。

（3）根据大坝三维计算，坝体和坝基沉降量竣工期最大值为59.5 cm，蓄水期竖向沉降最值为57.5 cm，参照竣工期沉降计算量及以往工程经验，本次竣工后预留沉降0.05～0.60 m，桩号0+350 处坝基最深，预留沉降0.60 m，桩号0+000、0+571处预留沉降值0.05 m，预留沉降从0+350 处向两侧三角形直线布置。

2.2 沥青混凝土心墙应力及变形分析

表3为三维计算条件下心墙竣工期及蓄水期的应力、变形最大值统计表。图1～图4为采用基本计算参数时心墙变形、应力及应力水平等值线图。

表3 心墙应力、变形最大值统计表

计算成果表明：

（1）竣工期心墙顺河向位移较小，最大值为3.7 cm；蓄水期随水位上升心墙顺河向位移在水压力作用下向下游发展，至正常水位达18.4 cm，位于心墙的中高程处。蓄水后，心墙竖向位移有所减小，由竣工期的51.4 cm减小为49.8 cm。竣工时心墙坝轴向向左岸、向右岸位移最大值分别为5.1、6.5 cm。蓄水后，坝轴向位移变动较小，向左、右两岸的坝轴向位移最大值分别为5.0、7.9 cm。

（2）竣工期心墙大主应力最大值为-2.78 MPa，小主应力最大值为-1.47 MPa；蓄水后，大、小主应力最大值分别为-3.53 MPa、-1.43 MPa，均为压应力，出现在心墙底部。

（3）从心墙应力水平来看，大部分应力水平小于0.8 MPa，但在桩号0+321.31横截面处（此处防渗墙深约140 m），沥青混凝土心墙表层局部最大值为0.95 MPa，仅仅分布在心墙1 m与2.2 m渐变段交接处上、下游侧极小的区域（见图3和图4），原因是此处覆盖层深厚，而心墙是建立在刚性混凝土防渗墙上，位移较小，此处坝体与心墙沉降差较大，对心墙局部受力不利。根据心墙三维计算，心墙沉降量竣工期最大值为51.4 cm，蓄水期竖向沉降最大值为49.8 cm，参照坝体沉降计算量及以往工程经验，本次心墙竣工后预留沉降0.05～0.60 m，桩号0+350处坝基最深，预留沉降0.60 m，桩号0+000、0+571处预留沉降值0.05 m，预留沉降从0+350 处向两侧三角形直线布置。

图1 坝轴向位移

图2 竖向位移

图3 坝轴向应力

图4 竖向应力

2.3 混凝土基座应力及变形分析

基座与防渗墙之间采用固定连接方式，表4 为三维条件下混凝土基座在蓄水期不同工况的应力、变形最大值统计表。

表4 混凝土基座应力、变形最大值统计表

计算结果表明：

（1）蓄水期由于下游无水导致其顺河向水平位移较大，其最大值为17.8 cm，竖向最大位移为8.3 cm；

（2）蓄水期基座水平向压应力与拉应力最大值分别为-7.77、19.70 MPa，其拉应力值19.70 MPa 略小于竣工期时最大拉应力值25.20 MPa，这是由于作用在基座上游面的水压力有利于减小基座受到的弯矩作用；竖直向压应力与拉应力最大值分别为-5.91、1.80 MPa。

（3）从拉应力分布来看，水平向拉应力均分布在基座的中上部，该拉应力还比较大，产生的原因是：基座是建立在防渗墙上，在同样的上覆压力作用下，盖板两侧的土体压缩较盖板底部土体压缩速率快，由于混凝土基座两侧土体较大的沉降不均匀引起周边土体较大的错动，在该区域内会引起较大的剪应力，从而发生一定程度的应力重分布，导致混凝土基座上所受到的土体传递过来的荷载为非均布荷载，而是两端大，中间小的分布规律，其具体受力机理见图5。

图5 混凝土基座受力机理

由上述分析可知，即使没有混凝土防渗墙的顶托作用，混凝土基座在填筑过程中，中部会逐步向上拱，受力性状表现为上部受拉，下部受压，而该基座设计为中间厚度最薄，因而在基座中间有拉应力集中现象，而有防渗墙的顶托作用下，会进一步加剧拉应力区域及拉应力极值的发展。综上，结合混凝土基座计算结果，建议对基座拉应力较大的区域适当配筋；或者增加基座的厚度，减少沥青混凝土范围外基座两边的长度，可有效减少基座拉应力区域及极值。防止拉应力过大而引起防渗体系失效，威胁大坝的整体安全性。

3 结语

根据三维静力数值模拟计算结果，蓄水期坝体位移在浮力影响下位移较竣工期小，坝体应力分布较为合理，但在坝体与心墙变截面处存在应力集中现象，针对这部分区域在设计、施工过程中应当减缓连接面坡度，增加变形过渡区；在混凝土防渗墙的顶托作用下加剧了基座上拱的程度，可考虑采用加大配筋、增大基座厚度的方法加以改善。