塔林西水利枢纽拦河坝应力及应变分析

郭 浩

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

1 枢纽工程概况

塔林西水利枢纽位于黑龙江省大兴安岭地区塔河县境内，黑龙江右岸支流呼玛河中游，坝址控制流域面积10 215 km2，占呼玛河流域面积的32.74%。项目建设区行政区划隶属黑龙江省大兴安岭地区的塔河县及呼中区。坝址座落在塔河县境内，下游距塔河县城34 km。塔林西水利枢纽是一座以发电、防洪为主，兼有保护生态环境、水产养殖、深林防火和旅游等综合利用大型水利枢纽，水库总库容19.66亿m3，电站装机102 MW，多年平均发电量2.45亿 kW·h。水库枢纽工程主要由拦河坝、河岸式溢洪道、引水隧洞与电站组成。

2 拦河坝结构布置

拦河坝为沥青混凝土心墙堆石坝，由主坝和副坝构成，主坝长1 350 m，最大坝高54 m，坝顶宽7.5 m，副坝长1 060 m，最大坝高10 m，坝顶宽6.0 m，拦河坝坝顶上设1.2 m高防浪墙，防浪墙顶高程为454.80 m，坝顶高程453.60 m。

主坝坝体上游坡在高程413.00 m处设2 m宽马道，坡比为1∶2;下游在高程417.70 m 设2 m 宽马道，坡比 1∶1.75，下游在高程405.00 m设排水棱体。堆石坝由上下游坝体堆石、砂砾石过渡层及沥青混凝土心墙等组成，上游坝坡采用厚度0.4 m的干砌石护坡。坝基截水槽开挖至弱风化基岩，混凝土板上部与坝体沥青混凝土心墙连接。帷幕灌浆混凝土盖板厚度为1.0 m，宽度为6.0 m。基础处理采用帷幕灌浆，灌浆孔间距1.5 m。

3 拦河坝应力应变计算

拦河坝应力应变计算程序采用南京水利科学院的《有效应力法平面有限元静力计算程序》。

堆石坝坝体连续施工，即首先连续将坝体填筑到坝顶，然后再进行水库的蓄水。从堆石坝建基面开始至坝顶逐层上升，分14级荷载模拟堆石坝填筑施工进程;在蓄水期，分5级荷载模拟水库水位逐渐上升的过程。全部共有19级加载完成坝体填筑和蓄水，计算时每一级荷载均一次性加载，采用中点增量法，以便较好地模拟加载过程。

控制剖面根据结构的特点、分级加载和形成单元的要求选取。计算模型网格剖分主要采用四边形四节点等参数单元，离散后生成的有限元节点总数为317个，单元总数为273个。

3.1 参数选择

坝壳料、过渡料、坝基砂砾料、沥青混凝土心墙的邓肯E－B模型参数，参考已建工程及相关资料拟定。采用的参数见表1。

坝体堆石、砂砾石的密度、内凝聚力及内摩擦角见(1)中有关物理力学指标;沥青混凝土心墙的密度、内凝聚力及内摩擦角参考国内同类工程选取;坝体堆石及砂砾石的邓肯E－B模型参数参考(2)中的范围，结合本工程选取。

表1 邓肯E－B模型参数

3.2 计算结果

计算工况采用竣工期、蓄水期，沥青混凝土心墙堆石坝的变形、应力情况。有限元计算结果等值线图见图1～8。计算结果见表2～3。

图1 沥青混凝土心墙堆石坝坝体竣工期水平位移等值线

图2 沥青混凝土心墙堆石坝坝体蓄水期水平位移等值线

图3 沥青混凝土心墙堆石坝坝体蓄水期垂直位移等值线

图4 沥青混凝土心墙堆石坝坝体竣工期垂直位移等值线

图5 沥青混凝土心墙堆石坝坝体竣工期大主应力等值线

图6 沥青混凝土心墙堆石坝坝体蓄水期大主应力等值线

图7 沥青混凝土心墙堆石坝坝体竣工期小主应力等值线

图8 沥青混凝土心墙堆石坝坝体蓄水期小主应力等值线

表2 沥青混凝土心墙堆石坝坝体位移、应力计算最大值结果表

表3 沥青混凝土心墙位移、应力计算结果最大值表

3.3 计算结果分析

3.3.1 坝体位移

竣工期:坝体在自重作用下，坝体位移以沥青混凝土心墙为分界线分别向上、下游变形，上游水平位移最大值为0.18 m，下游水平位移最大值为0.20 m;坝体垂直位移最大值为0.40 m，垂直变形为坝高的0.69%。

蓄水期:在水压力作用下水平位移向上游变形区域和数值减小，最大值为0.12 m，向下游变形区域和数值增大，最大值为0.32 m。坝体垂直位移最大值减至0.38 m，垂直变形为坝高的0.65%。

3.3.2 坝体应力

竣工期及蓄水期坝体大主应力σ1、小主应力σ3分布规律是从心墙向两侧逐渐减小，从坝坡向坝基逐渐增大。竣工期，坝体大主应力σ1最大值为0.8 MPa;位于心墙附近的基础砂砾石层内。坝体小主应力σ3最大值为0.55 MPa。

蓄水后，上游坝体受到浮力影响，坝体有效容重减少，上游坝体大主应力σ1、小主应力σ3均减小;下游坝体大主应力σ1略有增大，小主应力σ3略有减小。

3.3.3 沥青心墙位移

竣工期，沥青混凝土心墙的水平位移较小，最大值为仅0.004 m，心墙垂直位移最大值为0.17 m。

蓄水期，水平位移最大值增至0.16 m，位于心墙中上部，心墙垂直位移最大值略有减小，为0.13 m，均发生在心墙的中部。

3.3.4 沥青心墙应力

竣工期，沥青混凝土心墙最大压应力为1.06 MPa，最大拉应力为 0.63 MPa。

蓄水期，沥青混凝土心墙最大压应力为1.20 MPa，最大拉应力为 0.67 MPa。

3.4 计算结论

3.4.1 坝体

坝体沉降量与坝高的比值在允许范围内(1%)，竣工、蓄水期坝体坝体应力水平均小于1，无剪切破坏单元，坝体整体稳定。

3.4.2 沥青混凝土心墙

蓄水期工况的心墙竖向应力均大于静水压力，不会发生水力劈裂，竣工、蓄水期沥青混凝土心墙最大压应力均在安全的范围内，心墙水平位移沿高度方向连续，说明各部位不会产生错动和剪切破坏。

［1］黑龙江省水利水电勘测设计研究院.黑龙江省大兴安岭地区塔林西水利枢纽工程可行性研究报告［R］.哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2009.

［2］朱百里，沈珠江.计算土力学［M］.上海:上海科学出版社，1990.

［3］黄河水利委员会勘测规划设计研究院.SL 274—2001碾压式土石坝设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.

［4］水利部水利水电规划设计总院.SL 501—2010土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2010.