软岩堆石坝三维有限元变形分析

汪 涛

(吉林省水利水电勘测设计研究院，长春130021)

1 工程概况

南乌江六级水电站位于老挝人民民主共和国丰沙里省境内，为南乌江七级开发方案的第六级。坝址位于南乌江右岸支流南艾河(Nam Ngay)河口下游约1 km ～南龙河(Nam Long)河口间长约3 km的河段内，距下游的哈洒(HatXa)渡口约3.7 km。

电站主要建筑物包括:堆石坝、引水隧洞、地面厂房、溢洪道、导流兼泄洪洞、导流兼泄洪放空洞等。电站装机容量180 MW，保证出力72.8 MW，多年平均发电量7.39 亿kW·h。电站采用堤坝式开发，以发电为主，坝址部位多年平均径流量161 m3/s，水库死水位495 m，正常蓄水位510 m，相应库容4.09 ×108m3，调节库容1.99 ×108m3，具有季调节性能。其中:堆石坝坝顶长352 m，坝顶高程515 m，最低建基面高程427 m，最大坝高88 m;坝顶宽度为8 m，上下游坝坡坡度均为1∶1.6，下游坝坡在高程458 m设置一条马道，马道宽3 m。坝体最大剖面图见图1。

电站为二等大(2)型工程，主要建筑物(挡水、泄洪和引水发电建筑物)级别为2 级，次要建筑物级别为3 级，临时建筑物级别为4 级。本工程的壅水及泄洪建筑物按500 a一遇洪水设计，按入库可能最大洪水(PMF)校核;引水发电建筑物按100 a一遇洪水设计，500 a一遇洪水校核;泄洪消能防冲建筑物按50 a一遇洪水设计［1－2］。

2 计算模型

根据工程的实际情况和计算要求，建立以下计算模型:

X 轴为顺河向，向下游为正。上游边界为从上游坝脚向上游方向50m，下游边界为从下游坝趾向下游方向取50 m。

Y 轴为坝轴线向(横河向)，向左岸为正。计算边界取左右岸坝肩各50 m。

Z 轴为竖直向，向上方为正。计算边界向下一般截取至坝基以下0.5 ～1 倍坝高，本计算取50 m(最大坝高88 m);向上按实际地形［3－4］。

对上述计算域进行网格剖分，得到有限元计算网格。坝体网格以空间六面体等参单元为主，在坝建基面等某些部位适当填充空间五面体等参单元，以更好地适应大坝建基面几何形状的剧烈变化。整个计算区域共剖分结点15 228个，单元13 397个，有限元网格见图2。

图1 坝体最大剖面图

图2 三维有限元计算网格

3 静力计算工况和材料参数

静力计算选取表1 中的3个典型工况进行计算。

表1 静力计算工况

三维有限元计算中坝体材料本构关系采用邓肯张E －B 本构模型，坝基岩体采用弹性本构模型，考虑到坝体材料较软，根据经验，对常规实验参数建议值进行了适当的降低［5－6］。各种堆石料的邓肯E －B 模型计算参数根据工程类比及经验值确定如表2所示。

表2 三维静力有限元计算参数

4 坝体变形分析

经计算，得各种工况下坝体顺河向与竖向最大位移如表3 所示。

水平位移以指向下游为正，指向上游为负;竖向位移以向上为正，向下为负;坝轴线方向水平位移以指向左岸为正，指向右岸为负;应力以压应力为正，拉应力为负［7］。

表3 最大剖面在各工况下的最大位移值

最大剖面在上述3 种工况下的位移等值线图如图3、图4 所示。

图3、图4 分别为填筑到坝顶高程时最大剖面的沉降和水平位移等值线图。最大沉降为82.4 cm，位于坝轴线附近1/2 坝高左右。坝体上游部分的水平位移呈向上游移动的趋势，最大值为27.7 cm，发生在坝体中下部靠近上游坝面附近;坝体下游部分的位移呈向下游移动的趋势，最大位移为26.4 cm，发生在坝体中下部靠近下游坝面附近。顺河向的水平位移等值线图沿坝轴线近似呈对称分布［8］。

图3 最大剖面施工期沉降等值线图

图4 最大剖面施工期水平位移等值线图

图5、图6 分别为蓄水至正常水位时最大剖面的沉降和水平位移等值线图。正常蓄水位工况下，坝体沉降分布规律与竣工期相似，仅数值有所变化，最大沉降从竣工期的82.4 cm增大到85.2 cm，变化不是很明显，说明坝体沉降在竣工时已基本完成［9］。

与竣工期位移相比，坝体水平位移分布规律变化较为明显，由于上游水压力平衡了上游侧坝体指向上游坡外的部分位移，尽管坝体上游部分的位移仍向上游，但比竣工期相比减少了一大半，最大值为12.8 cm;坝体下游部分的位移呈向下游移动的趋势，最大位移由26.4 cm增大至31.7 cm，发生在坝体中下部靠近下游坝面附近。由此说明，蓄水后上游坝坡水压力对坝体水平位移有很显著的影响。

图5 最大剖面正常蓄水期沉降等值线图

图6 最大剖面正常蓄水期水平位移等值线图

图7、图8 分别为校核洪水位时最大剖面的沉降和水平位移等值线图。校核洪水位工况下，坝体垂直和水平位移分布规律与正常蓄水位工况下的位移分布相似，仅数值有所变化，最大沉降从85.2 cm 增大到85.8 cm。

坝体上游部分的位移仍向上游，最大值为11.6 cm;坝体下游部分的位移呈向下游移动的趋势，最大位移由31.7 cm 增大至32.4 cm。

与正常蓄水位下位移相比较，可以看到竖直沉降与水平位移都略有增大，但变化不明显，这主要是由于校核洪水位与正常蓄水位比较相近。由此也说明，库水位由正常蓄水位增高到校核洪水位过程中，水压力增量所产生的位移增量较小。

图7 最大剖面校核洪水位沉降等值线图

图8 最大剖面校核洪水位水平位移等值线图

5 结 语

对坝体在施工完建期、正常蓄水位和校核洪水位3 种工况进行了三维非线性变形计算，分析了坝体在施工完建期、正常蓄水位以及校核洪水位工况下的变形规律。

从计算结果可以看出坝体在上述3 种工况下的变形状态基本符合一般规律。因坝体采用了软岩堆石料填筑，计算时各区材料的邓肯张E－B 模型参数取值偏于保守，所以，坝体最大沉降值几乎接近坝高的1%，但也在合理的范围内［10］。

若材料参数取值大一些，坝体的位移可能会小一些，由此说明软岩堆石料应用于南乌江六级水电站筑坝是可行的。

［1］顾淦臣，束一鸣，沈长松．土石坝工程经验与创新［M］．北京:中国电力出版社，2004:29 －35．

［2］中华人民共和国水利部．SL274—2001 碾压式土石坝设计规范［S］．北京:中国水利水电出版社，2002．

［3］胡东，梁勇，史光宇，姜殿成. 松山面板堆石坝三维有限元静力分析［J］. 东北水利水电，2005，23(11):23 －24.

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［6］黄劲松，闫慧玉，潘燕芳. 芭蕉河面板堆石坝三维有限元应力变形分析［J］. 中国农村水利水电，2004(09):75－77.

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［8］于跃，黄劲松. 观音岩水电站面板堆石坝三维有限元应力变形分析［J］. 湖北水力发电，2005(01):30 －34.

［9］彭成山，陈曦，黄露剑. 某混凝土面板堆石坝三维有限元应力变形分析［J］. 人民黄河，2013，35(06):107 －109.

［10］张存林，金实. 面板堆石坝三维有限元分析［J］. 鞍山科技大学学报，2007，30(03):273 －278.