杨溪水库溢流坝段三维仿真计算分析

蒋晓阳,戴春华

(1.永康市杨溪水库灌溉工程管理局,浙江 永康 321304;2.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

杨溪水库位于浙江省永康市境内,水库总库容6453万m3,属Ⅲ等工程,是一座以灌溉为主,结合防洪、供水、发电等综合利用的中型水库。拦河 (主)坝由溢流坝段和非溢流坝段组成,非溢流坝段为刚性斜墙干砌块石坝,溢流坝段为浆砌条石宽缝重力坝。水库建成蓄水后,经过十几年运行,由于坝体干砌块石与浆砌条石材料的不同导致坝顶出现多条纵横裂缝,部分溢流坝段空腹内出现不同程度渗水,混凝土防渗面板局部地段有透水率较大的张开裂隙,大坝溢流段反弧面施工缝在125.2～128.2 m高程处被拉开,4#、6#空腹内有渗水,坝体材料的不同,大坝安全鉴定认定为“三类坝”,必需进行除险加固。

2 加固设计

加固前,二维有限元模型计算分析结果表明:溢流坝段在校核工况下,坝体大部分为压应力,其值均在3.0 MPa以下;但溢流坝段位于空腹上游侧迎水面浆砌条石坝踵位置有应力集中现象,出现最大为0.61MPa的拉应力。另外,混凝土防渗面板的刚性垫层浆砌条石,由于材质不一,在溢流坝段空腹表面有部分己风化,风化程度不一,使条石强度有所降低,影响到坝段的整体性。

图1 溢流坝段加固图

针对大坝安全鉴定及二维计算分析存在的问题,设计对混凝土面板采用赛柏斯涂层进行防渗处理;对现有溢流堰面表面进行清理,对局部裂缝进行灌浆处理;空腹坝段廊道底部 (高程127m)以下四壁进行清理后浇筑50 cm厚的C25F50钢筋混凝土,在空腹坝段头部122 m高程以下部分逐渐增加混凝土厚度至150 cm,以提高坝踵处的稳定性。空腹坝段底部基岩风化的部分进行凿除处理,并用C20F50混凝土回填。对混凝土和浆砌条石接触面进行回填灌浆。在每一坝段空腹内上游侧底部设排水孔,并沿上游拱圈顶部和端部新老结合体部位布置排水管。同时在原浆砌块石和干砌块石部位设置伸缩缝,避免不同坝体材料各自沉降后对路面造成的破坏。溢流坝段加固设计见图1。

为确保加固后大坝的安全运行,有必要利用ABAQUS软件对加固前后溢流坝段应力情况进行三维有限元计算分析。

3 三维有限元计算分析

3.1 计算模型

计算模型截取宽9.0 m的典型空腹宽缝溢流坝段(包括左右对称面各有1/2空腹和闸墩),地基截取溢流坝段上下游和深度方向的1.5倍坝高尺寸为模型计算边界,以减小边界条件对计算成果的影响。三维计算模型的坐标系:选择宽缝坝段中间(空腹正中间)剖面为坐标系的 xy平面,x轴指向水库下游,y轴竖直向上(溢流堰堰顶位置为 x=0,y代表实际高程),z轴指向右岸。有限元计算分析时施加的边界约束:基岩底部固定约束,基岩上下游面施加上下游方向约束,坝段和闸墩左右岸方向(即在Z=±4.5 m面)施加对称面约束,其它的荷载根据不同计算工况分别施加。通过几种单元类型比较,选取三维10节点四面体和20节点六面体的2次单元进行计算分析,模型共划分103023个单元,节点数182989个。溢流坝段中剖面模型见图2。计算采用的坝体材料参数见表1。

表1 坝体材料参数表

图2 加固后溢流坝段中剖面模型图

3.2 计算工况

溢流坝段整体分析时取校核、设计工况,各计算工况上下游水位见表2。荷载组合:自重+闸墩荷载+上游静水压力+坝基扬压力+溢流面动水荷载。对于坝基底部的扬压力,综合 《混凝土重力坝设计规范》 (SL 319—2005)和《砌石坝设计规范》(SL 25—2006),计算分析时扬压力的强度折减系数取α=0.6。

表2 各计算工况下的上下游水位表

3.3 计算分析

宽缝重力坝溢流坝段在设计和校核工况下的应力分布及变化规律相似,以下着重分析特殊组合校核工况荷载下的应力情况。

加固前溢流坝段浆砌石空腹内表面的主拉应力见图3,总体来看,浆砌石主拉应力值和分布区域都较小,其中最大主拉应力产生在坝体廊道底部为0.24 MPa,其它的在0.05 MPa以内。

加固前主压应力情况:从图4可以看出,最大主压应力出现在空腹下游出口孔洞底角附近较小范围内,产生应力集中,主压应力为3.8 MPa,随后在小范围内 (1.0 m左右)就降低到1.2MPa;在坝体廊道底部局部最大主压应力为2.3 MPa;在127.0 m高程以下,空腹内上游侧迎水面与空腹侧面交接区域,主压应力约为0.6～1.4 MPa;浆砌条石坝空腹侧面:上游端高程127.0 m以下,中部120 m高程以下,下游端123 m高程以下区域,主压应力值为0.8～1.2 MPa;坝段浆砌条石底部主压应力值为0.9～1.4MPa。

图3 加固前空腹内壁主拉应力分布图

加固方案实施后,浆砌石坝体廊道底部最大主拉应力为0.12 MPa;溢流坝段空腹侧壁的主拉应力分布区域、应力值和分布区域都较小(见图5)。

加固后主压应力情况:从图6可以看出,最大主压应力也在空腹下游出口孔洞底角,为3.4 MPa,比加固前约降低15%,随后在小范围内就降低到1.1 MPa;在坝体廊道底部局部主压应力为2.1MPa,在127.0 m高程以下的空腹内上游侧迎水面与空腹侧面交接区域,主压应力约为0.6 MPa,在高程127.0 m以下,加固后主压应力明显减少;浆砌条石空腹侧面:上游端高程127.0m以下,中部120 m高程以下,下游端123m高程以下区域,主压应力在0.6～0.8 MPa,比加固前约降低20%;坝段浆砌条石底部主压应力在0.6～1.1 MPa,比加固前约降低10%。加固后,空腹侧面的3个不同高程 (117.5,112.0,126.5 m)上的主压应力值都相应的降低。

图4 加固前浆砌石主压应力分布图

图5 加固后空腹内壁主拉应力分布图

图6 加固后浆砌石主压应力分布图

从计算的应力结果对比来看,根据 《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2005)和 《浆砌石坝设计规范》(SL 25—2006)规定,C20混凝土设计强度允许值约为10 MPa,而M10水泥砂浆砌条石容许压应力为5.3MPa,极限抗拉强度为0.6 MPa。基本组合和特殊组合下,加固后溢流坝段关键部位,特别是空腹内上游侧迎水面与空腹侧面交接区域,坝体浆砌条石应力情况有明显改善;溢流坝段浆砌条石的拉、压应力强度满足设计规范要求。

4 结 语

针对大坝安全鉴定及二维计算分析存在的问题,设计对溢流坝段采用多种方法进行加固处理,为了模拟加固后溢流坝的应力状态,采用三维仿真方法进行计算。为减小边界条件对计算成果的影响,计算模型截取宽9.0 m的典型空腹宽缝溢流坝段,同时通过几种单元类型比较,选取三维10节点四面体和20节点六面体的2次单元进行计算分析。加固前后的计算结果分析表明,溢流坝段的拉、压应力状态均有明显改善。经验表明,模型的选取、坝体材料参数的选择、边界条件的确定等因素对计算结果有较大影响,在分析时,应参考同类型的工程进行深入比较、分析,这样才能得出比较合理的结果。在类似工程中,该计算方法可为设计方案的选取提供重要依据。