江边水电站闸坝有限元变形计算和实测结果对比分析

丁玉财，杜雪珍，史 彬，刘占博

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

江边水电站位于四川省甘孜藏族自治州东南部九龙县，是一座以发电为主的低闸高水头引水式电站，枢纽主要由首部枢纽、引水系统、发电系统三大部分组成。水库正常蓄水位1797 m，相应库容133.0万m3，死水位1789 m，日调节库容90.6万m3，电站总装机容量330 MW。

1 拦河闸坝结构布置

江边水电站首部拦河坝为混凝土闸坝，自左至右依次为左岸混凝土挡水坝段、冲砂闸、泄洪闸段、右岸混凝土挡水坝段和右岸岸坡粘土心墙坝段。坝顶高程为1799.50 m，最大坝高27.50 m，坝顶总长179.10 m，由二孔泄洪闸和一孔冲砂闸及左右岸混凝土挡水重力坝段、右岸岸坡粘土心墙堆石坝段组成。混凝土坝段采用梯形断面设计。左岸混凝土挡水坝段长42.20 m，分为2个坝段，坝段长分别为18.5，23.7 m，坝顶宽13 m，最大坝高27.50 m；右岸混凝土坝段长50.43 m，分为3个坝段，坝段长分别为17，18，15.43 m，坝顶宽 12 m，最大坝高 27.50 m；泄洪闸和冲砂闸布置在主河床处，分为两个坝段，坝段长为22 m和14 m，闸室底板长为36.0 m。闸孔为胸墙式孔口泄流，泄洪闸孔口尺寸为8.0 m×6.0 m（宽×高），冲砂闸孔口尺寸为4.0 m×4.5 m（宽×高），底板厚为4.0 m，闸高为 27.50 m。粘土心墙坝段坝顶长50.47 m，坝顶宽32 m兼作回车场。

2 地质概况

闸基第四系覆盖层最厚达109.2 m，是影响建闸坝的主要地质条件。按岩性和埋藏条件分为5层：

第①层为崩坡积（Qc4ol+dl）碎石土，厚度 2.9～18.6 m，结构松散，局部架空，承载力低，不能作为闸坝基础；第②层为冲洪（Qa4l+pl）漂（块）卵（碎）石层，总厚度 7.5～40.7 m，漂（块）卵（碎）石，主要由卵（碎）石组成，漂（块）石散布其中，上部局部架空，下部较密实，地层较均一，可作为闸坝基础持力层；第③层为冲湖积（Qa4l+l）砂质粉土，夹有粉质粘土及粉砂透镜体，厚度一般10.5～66.3 m，最大厚度达71.65 m，分布于第②层以下，呈密实状，平均渗透系数为1.78×10-5cm/s，属微透水性，与坝基两岸弱风化微透水岩体直接相连，是较好的天然铺盖；第④层为冲洪积（Qa4l+pl）卵（碎）砂砾，杂色，泥质弱胶结，密实，仅分布于古河槽底部；第⑤层为冲洪积（Qa4l+pl）卵（碎）石，为古河道两岸阶地堆积物，颗粒岩性以黑云母石英片岩为主，泥质弱胶结，密实。

3 基础处理

结合江边闸址工程地质条件，在坝基覆盖层防渗设计采用垂直混凝土防渗墙与水平混凝土铺盖联合防渗，左坝肩采用灌浆帷幕防渗。拦河闸坝基础座落在冲洪积（Qal+pl）4漂（块）卵（碎）石层上，为了提高地基承载力和基础变形模量，对基础采用固结灌浆进行处理。灌浆孔距、排距均为2.5 m，孔深为建基面以下10 m。

4 闸坝实测沉降变形

4.1 沉降变形监测设计

1）基础沉降。在④、⑤号坝段闸室上游始端底板顶布置3个水准测点，在⑥号坝段坝踵趾板顶布置1个水准点，从施工期开始观测基础沉降。

2）坝顶垂直位移。在每个混凝土挡水坝段都布置1～2个水准测点，监测坝体沉降；在泄洪闸闸墩上、下游侧布置4个水准测点，以观测闸墩垂直位移和倾斜。

4.2 沉降变形监测成果

4.2.1 施工期基础沉降

为了取得施工期闸坝沉降过程，对泄洪闸和冲砂闸坝段底板上游及⑥号坝段坝踵趾板顶面设置的4个临时垂直位移测点（测点编号为LDls1～LDls4，高程为1776.10 m）进行观测。观测时段为2009年9月7日至2010年4月11日，观测近7个月，各测点测值过程线见图1，极值统计成果见表1。

由图1、表1可见，各测点自2009年9月观测以来，坝基沉降随坝体填筑高程的增高而增大，符合坝基沉降一般规律。2010年闸坝底板过水后停止观测，累积位移最大分别为18，25，22，34 mm，测值逐渐收敛，但未趋于稳定。

4.2.2 运行期坝顶沉降

为了解闸坝坝顶沉降，对混凝土闸坝坝顶表面埋设的15个垂直位移测点，进行垂直位移观测。各③～⑥号坝测点的沉降变化过程线见图2，3，坝顶沉降监测成果汇总于表1。

监测数据表明：江边水电站混凝土闸坝段运行期最大沉降量为13.02 mm，发生在4号坝段，最大沉降差为11.70 mm。

5 闸坝三维有限元计算

采用基于Biot固结理论的有效应力方法进行静力分析，骨架模型采用南水双屈服面弹塑性模型。

5.1 有限元单元离散及计算模拟

此次计算的三维网格图共形成三维空间单元16417个，结点数18251个。顺河向计算范围为闸（坝）上75 m至闸（坝）下90 m。上下游边界为截断边界，底部为固定边界。

计算加载时，首先模拟天然坝基覆盖层，从右到左依次分级模拟各坝段（2～8号混凝土坝段和右坝头粘土心墙坝），最后分级模拟蓄水至最高运行水位1795.5 m，弧形工作闸门关闭挡水。

静力计算主要考虑荷载有：覆盖层及岩体自重；混凝土及回填料自重；水压力；弧门推力。

表1 闸坝各测点监测值与三维有限元计算成果对比表 mm

图1 垂直位移测点测值过程线

图3 坝顶纵向垂直位移分布图

覆盖层计算参数见表2。

5.2 有限元沉降变形计算结果

有限元计算结果表明：左岸混凝土挡水坝段，以③号坝段变形最为明显，竣工期③号坝段最大沉降5.7 cm。运行期，在库水压力作用下，③号坝段最大沉降增至8.4 cm。

右岸混凝土挡水坝段，以⑥号坝段变形最为明显，竣工期⑥号坝段最大沉降11.2 cm。运行期，⑥号坝段最大沉降增至13.1 cm。

表2 闸坝基础覆盖层计算参数表

竣工期闸室底板顶面最大沉降为5.8 cm。运行期，闸室底板底板顶面最大沉降为9.3 cm。

该工程变形原位观测结果显示，施工期底板上游侧最大沉降为1.8 cm，发生在闸（坝）右0+021.5 m，没有对③号坝段进行观测。⑥号坝段底板上游侧最大沉降量为3.4 cm，位于闸（坝）右0+047.0 m；截止2012年4月20日，运行期闸室顶最大沉降量为1.30 cm，发生在闸（坝）右0+001.5 m。③号坝段坝顶沉降量为1.09 cm，位于闸（坝）左0+009.0 m；⑥号坝段坝顶沉降量为0.30 cm，位于闸（坝）右0+047.0 m。

6 有限元变形计算结果和实测结果对比分析

不同时期各坝段沉降变形比较图如图4所示。

图4 不同时期各坝段沉降变形图

有限元计算结果是否合理主要取决于结构体本构模型、施工工序的模拟以及计算参数的选取是否合理。

工程覆盖层采用沈珠江院士提出的南水双屈服面弹塑性模型，该模型可以考虑堆石体的剪胀和剪缩特性，能够较为真实地反映覆盖层地基的应力应变性状，该模型已得到业内广泛认可和采纳。有限元计算根据现场实际施工顺序进行加载，符合工程实际。所采用的计算参数根据室内三轴剪切试验成果，并结合前期部分现场测试成果确定。

对比有限元计算结果和原位观测结果可以发现，两者在分布规律上是接近的，但数值上尚有一定偏差，导致两者在数值上有偏差的原因有：

1）施工期和运行期变形观测都存在一定的漏测，导致计算结果和观测结果在数值上有偏差，实际变形要比观测值稍大。

2）覆盖层尤其是表层固结灌浆处理范围内土体的计算参数和实际情况是有差别的，这也是造成计算结果和观测结果数值上有偏差的重要原因。

3）计算结果和原位观测结果存在偏差，主要和闸基下第②层灌浆范围内土体的模拟以及计算参数与实际存在差距。室内三轴剪切试验成果受试验制样密度控制、级配缩尺、试验曲线整理等因素的影响，室内试验方法获得的参数可能和实际有一定的偏差。尤其是砂砾石覆盖层，很难准确掌握其原位密度和原位颗粒级配，其室内试验参数的可靠性更差。

综上所述，闸基下第②层天然土体和灌浆处理范围内土体的模拟和计算参数选取的不合理，是导致闸基变形计算值和观测值产生偏差的关键原因。

7 结语

1）江边水电站拦河闸坝施工期和运行期变形观测都存在漏测，实际变形要比观测结果大。该工程原位观测虽存在一定的漏测，但闸坝主要变形已反映，总的来说，闸坝施工期和运行期实际变形较小，目前变形趋于稳定，闸坝工作性状良好。

2）闸坝变形反馈分析结果显示，施工期和运行期闸室变形较小，施工期最大沉降在3 cm左右，运行期最大沉降约为4.6 cm，底板不均匀变形很小，倾度在0.1%以内。可见，闸坝变形要比原有限元计算结果小得多，可以推断闸坝应力状态比原有限元计算结果要好。

3）变形原型观测结果充分说明：闸基下采用固结灌浆处理措施是合适的，闸下表层用碾压密实洞渣置换并固结灌浆加固处理效果较好，闸基和闸坝的稳定性和应力变形性状良好，在如此深厚覆盖层上修建30 m级闸坝是可行的。

4）采用基于Biot固结理论的有效应力方法进行三维有限元静力计算分析，骨架模型采用南水双屈服面弹塑性模型。两者在分布规律上是接近的，只是数值上尚有一定偏差，理论计算结果较实际偏大。所以该计算方法和计算理论，仍可供工程设计者们借鉴。

［1］中国水电顾问集团华东勘测设计研究院.观测成果对比分析计算及基础处理评价［R］.四川省九龙河江边水电站深厚覆盖层研究专题报告，2012.

［2］中国水电顾问集团华东勘测设计研究院.四川省九龙河江边水电站闸坝深覆盖层基础处理专题研究岩土理力学参数分析与选取研究报告［R］.2011.

［3］四川省九龙河江边水电站首部枢纽拦河闸坝覆盖层工程特性及闸室三维有限元静动力特性研究［R］.南京水利科学研究院，2011.

［4］四川省甘孜州九龙河江边水电站安全监测资料分析报告［R］.国家电力监管委员会大坝安全监察中心，2012.