宝泉抽水蓄能电站下水库大坝加高工程方案分析

王洪玉，刘 艳，王 浩

（1.郑州黄河工程建设有限公司，河南 郑州 450045；2.黄河勘测规划设计有限公司科研院，河南 郑州 450000；3.豫西黄河河务局济源黄河河务局，河南 济源 454650）

1 工程概况

宝泉抽水蓄能电站位于河南辉县峪河。 电站设计安装4 台单机容量为300 MW 的可逆式水泵水轮机组，总装机容量为1200 MW，承担着河南电力系统削峰填谷、事故备用、调频调相等任务。 宝泉电站枢纽工程的上、下水库采用浆砌石重力坝，工程级别为一等，工程规模为大（一）型，按照百年一遇洪水标准设计，采用1 000 年一遇洪水标准校核。工程场地基本烈度为7°，设计烈度为8°。

宝泉下水库大坝是在原大坝基础上加高而成。在加高坝体时，采用放空库容，旱地施工的方式。 在水库运行过程中，不同蓄水方式将对老坝体的应力产生不同影响，因此需要研究坝体蓄水方式对坝体变形、稳定及应力的影响。

在实施加高坝体的方案时，存在一些问题。 一方面，老坝体的弹性模量难以准确给定，另一方面，新坝体（后期加高部分）与老坝体的材料特性存在着较大的差异性。 弹性模量的不确定性和差异性对坝体受力的影响规律值得深入研究。 在施工过程中，发现一些与原设计、竣工图不符的地方，而且蓄水方式有所改变，与原设计方案不一致。 因此，有必要针对下水库蓄水方式、新老坝体不同弹性模量等一些特殊问题开展深入研究。

本文使用ANSYS 通用软件，建立了加高坝体施工方案的数值模型，对蓄水方式和不同弹性模量问题进行深入探讨，计算成果对施工设计具有参考依据。

2 计算模型及荷载计算

2.1 建立模型

建立了溢流坝段典型断面的有限元模型，各坝段中的廊道周边单元网格进行了局部加密 （如图1和图2 所示）。

图1 下水库坝体加高模型示意图Fig.1 Heightening model of the lower reservoir dam

图2 下水库溢流坝断面图Fig.2 Lower reservoir overflow dam cross-section

2.2 荷载计算

（1）基本参数及计算工况

材料参数如表1 所示。 计算工况为3 个典型坝段、4 种蓄水位、9 种弹性模量组合而成的108 种计算工况。3 个典型坝段为溢流坝段、河床挡水坝段和岸坡挡水坝段。 4 种蓄水位分别为244 m、252 m、255 m、260 m。 9 种弹性模量（老坝体弹性模量/新坝体弹性模量，GPa） 为6.5/5.0、6.5/7.0、6.5/9.0、7.0/5.0、7.0/7.0、7.0/9.0、7.5/5.0、7.5/7.0 和7.5/9.0。

（2）坝面水压力

坝面水压力的计算式为

式中：γ 为单位体积水的重量，kN/m3；h 为淹没深度，m；P 为水压力，kN。

表1 相关材料的物理力学参数Table 1 Related material physical mechanics parameters

（3）泥沙压力

泥沙压力的计算式为

式中：γn为泥沙浮容重，kN/m3；hn为坝前泥沙淤积高度，m；φn为泥沙内摩擦角，°；pn为泥沙对坝面的压强，kPa。

（4）扬压力

扬压力的计算公式可参阅文献[2]，其计算简图如图3 所示。

图3 扬压力计算简图Fig.3 Uplift pressure calculation

图中，h1为上游水深，m；h2为下游水深，m；△h为上下游水位差，m； h0为廊道中心点作用水头，m。

3 计算结果分析

3.1 弹性模量对坝体位移的影响

从图4 中可以非常明显地看出，坝体总位移随着弹性模量的增加而减小。 溢流坝段老坝体的弹性模量对坝体位移影响较大。 因为溢流坝段与河床坝段的新坝体均是在老坝体的基础上建造的，老坝体相当于新坝体的基础，并且新加高部分相对较低，水压力作用相对较小。

图4 溢流坝段坝肩位移δ 随弹性模量变化规律（水位260m）Fig.4 Changing rules of overflow dam section shoulder displacement δ (water level: 260 m)

3.2 弹性模量对坝体受力的影响

溢流坝段坝踵与坝趾的垂向正应力随新、老坝体弹性模量的变化规律如图5 和图6 所示。图5、图6 表明，坝踵垂向正应力σy随老坝体弹性模量的增加而增大，坝趾的σy与坝踵的变化规律相反，随老坝体的弹性模量增加而减小。 新坝体弹性模量对坝踵、坝趾的σy影响均很小。

图5 坝踵垂向应力随弹模量变化规律（水位：260m）Fig.5 Changing rules of dam heel vertical stress with elastic modulus (water level: 260m)

溢流坝段在正常蓄水位时，新、老坝体弹性模量对坝踵垂向正应力σy的影响最大，最大绝对变幅为151.58 kPa，相对变幅为91.25%；对坝趾基平面垂直正应力σy的影响相对最小，垂向正应力最大绝对变幅为16.01 kPa，相对变幅为0.39%；对新、老坝体接触面中心垂向正应力影响较小，最大绝对变幅为65.71 kPa，最大相对变幅为11.10%。

3.3 蓄水位对坝体受力的影响

蓄水位对坝体的垂向正应力影响如图7 和图8所示。

从图7 和图8 可知，水位对坝体的垂向正应力影响较大，基本上呈线性变化，各拟合直线的决定系数R2均大于0.97，说明线性拟合度十分理想。 各典型断面的坝踵垂向应力σy随水位变化十分明显，其中河床坝段坝踵斜率绝对值最大，达到147.06。

图6 坝趾垂向应力随弹模变化规律图Fig.6 Changing rules of dam toe vertical stress with elastic modulus

图7 坝踵垂向正应力σy 与水位的关系图Fig.7 Relations of dam heel vertical normal stress σy and water level

图8 坝趾垂向正应力σy 与水位的关系图Fig.8 Relations of dam toe vertical normal stress σy and water level

4 结论

（1）随着坝体弹性模量的增加，坝体的整体刚度逐渐增大，坝体的总位移随之减小。 （2）老坝体弹性模量对溢流坝段坝踵垂向正应力影响较大，坝踵垂向压应力随着老坝体弹性模量的增加而增大。（3）坝体弹性模量对坝体垂向应力σy有较大影响，水位越高，影响越大。 （4）蓄水方式对坝体垂向正应力的影响较大，坝体垂向正应力与上游水位基本呈线性关系。 （5）在正常蓄水位时，坝踵垂向正应力接近0，即处于圧应力与拉应力的临界状态。因此，水库投入运行后，当上游蓄水位超过260m 时，应当给予高度关注。同时，在施工中，应充分重视结合面的施工质量。

[1] SL25-91，浆砌石坝设计规范[S].

[2] Sl203-97，水工建筑物抗震设计规范[S].

[3] 孙训方.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4] 孙恭尧，王三一，冯树荣.高碾压混凝土重力坝[M].北京：中国电力出版社，2004.