传力洞在拱坝坝肩加固中的应用研究—以葫芦口水电站为例

谢中凯，叶居东

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江大学水工结构与水环境研究所，浙江 杭州 31005 8）

传力洞在拱坝坝肩加固中的应用研究—以葫芦口水电站为例

谢中凯1，叶居东2

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江大学水工结构与水环境研究所，浙江 杭州 31005 8）

拱坝坝肩地质条件对拱坝的正常运行至关重要，拱坝失事很少是由于拱坝自身问题引起，大部分是由坝肩失稳造成的。在拱坝基础较差的情况下，传力洞是一种有效的加固措施。目前，传力洞已广泛运用于坝肩处理中，但是其研究明显落后于应用。因此，研究复杂地质条件下拱坝坝肩的稳定意义重大。以葫芦口水电站为研究对象，依据有限元分析软件ANSYS计算结果，使用刚体极限平衡法验证传力洞对拱坝坝肩的增稳效果，认为传力洞能够改善拱坝的受力情况，并提升坝肩基岩的稳定性。

拱坝坝肩处理；传力洞；三维有限元分析；坝肩稳定

1 问题的提出

拱坝是一种经济合理而且安全的坝型，因其材料节约、超载能力强，在水利工程中越来越多的被建造。我国西南地区就有几座在建或已建的世界级高拱坝，如小湾、溪洛渡、二滩拱坝等。拱坝受力机制主要是通过拱的作用将荷载传递到两岸坝肩岩体，坝肩岩体的稳定性便成为保障拱坝整体安全度的重要因素[1]。绝大多数失稳或破坏的拱坝中，纯粹破坏于坝身者较少见，更多的破坏或严重事故，往往因拱坝基础问题引起。拱坝基础处理应根据实际工程地质地形情况，选用合适的方法。当坝肩存在大面积软弱破碎带时，增设传力洞通常是一种有效的工程措施。

本文将研究分析传力洞对拱坝坝肩的增稳效果，结合2种不同的工况，分别在增设传力洞前后使用ANSYS软件进行三维有限元分析计算，并结合传统的刚体极限平衡法对计算结果进行后处理，最终比较有无传力洞对拱坝稳定的影响。

2 计算方法

目前，对抗滑稳定安全系数的计算工程中通常采用刚体极限平衡法[2]。袁志刚等[3-5]认为该方法没有考虑材料的本构关系，不能很好地反映坝肩岩体的破坏机理，推荐使用三维非线性有限元法分析岩体的抗滑稳定情况。张宜虎等[6]将这2个方法进行比较，详述了各自的优缺点。由于刚体极限平衡法原理简单明确，并且有着长期的实践经验和一套稳定的评判标准，而三维有限单元法所得的抗滑稳定安全系数有别于刚体极限平衡法，评判指标还未成熟；并且SL 282 — 2003《混凝土拱坝设计规范》规定，拱座抗滑稳定的数值计算方法，以刚体极限平衡法为主，1、2级拱坝或地质情况复杂的拱坝还应辅以有限元法或其他方法进行分析。故本文依据三维有限元方法计算得到拱端力系，然后在后处理时使用刚体极限平衡法计算坝肩岩体稳定。按照刚体极限平衡法，采用抗剪断公式：

式中：Kfc为抗滑稳定安全系数；ΣN1为垂直于侧滑面的法向力（扣除扬压力），N；ΣN2为垂直于底滑面的法向力（扣除扬压力），N；ΣT为沿滑动方向的滑动力，N；A1为侧滑面的面积，m2；A2为底滑面的面积，m2；f1′为侧滑面加权平均抗剪断摩擦系数；f2′为底滑面加权平均抗剪断摩擦系数；c1′为侧滑面加权平均凝聚力，MPa；c2′为底滑面加权平均凝聚力，MPa。

3 工程实例

本文以葫芦口水电站为例，分析计算传力洞的增稳效果。葫芦口水电站位于云南省德宏州梁河县境内的大盈江左支南底河上。该工程采用抛物线双曲变厚拱坝，坝体材料为C15混凝土。坝顶高程1 016.00 m，防浪墙顶高程1 017.20 m，坝底高程978.00 m，最大坝高38.00 m。拱坝坝顶厚度3.00 m，拱坝底厚8.24 m，拱坝厚高比0.22，坝顶中心线弧长110.0 m，弧高比2.88。工程规模为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级。

由于左岸坝肩中部高程发育有顺河向的陡倾断层带，为防止拱端推力作用下该断层带发生较大的压缩变形或蠕变变形，进而对坝体应力和坝肩稳定产生不利影响，在左坝肩中部略偏下高程位置设置1个传力洞，将拱端推力传至基岩深部，以确保大坝安全。传力洞的洞口中心高程为993.00 m，洞长30.00 m，洞身断面为4 m(宽)×5 m（高）城门洞形，传力洞的洞口处以1∶3坡度渐变为6 m(宽)×7 m(高)。洞身按1∶4的坡度向下倾斜，洞轴线与拱坝上、下游轴线在平面上投影的夹角为36°。传力洞回填混凝土强度采用C20。

3.1 有限元模型

利用ANSYS软件建立有限元模型见图1，坐标原点位于坝轴线与坝顶上游面拱圈线的交点处，X轴水平指向右岸，Y轴竖直向下，Z轴水平指向河流下游方向。坝基的选取为：向上游取1.0倍坝高，向下游取1.5倍坝高，以顶拱拱端为基准，向左右岸方向各取1.0倍坝高，建基面以下取1.0倍坝高。模型采用SOLID45单元，即八节点等参单元，除传力洞及其周边基岩采用退化的四面体单元外，模型其余部分全部采用六面体单元。

图1 有限元计算模型图

3.2 材料参数与荷载组合

根据地质勘探资料，有限元计算所取参数见表1。

表1 模型的物理力学参数表

计算时只考虑对坝体施加温度荷载，因此，其余部分热胀系数不再给出。三维有限元分析时，取2个计算工况验证传力洞的增稳效果。

工况Ⅰ：正常蓄水位+泥沙压力+自重+温降

工况Ⅱ：校核洪水位+泥沙压力+自重+温升

正常蓄水位1 014.68 m，校核洪水位1 015.62 m，淤沙高程995.00 m，河床高程978.00 m。

3.3 坝体应力和位移计算成果

根据2个不同工况的计算结果，分别从应力、位移和稳定等方面去评价传力洞对坝肩的增稳效果，从而全面地评价拱坝的安全性。

在计算结果中，选取几个有代表性的指标体现坝体的安全性（见表2）。其中，Dmax为最大的河流方向（Z轴）位移(mm)，正号表示顺河向，负号表示逆河向；S1为最大主拉应力(MPa)；S3为最大主压应力(MPa)。

表2 坝体应力、位移结果表

从表2中可以看出，传力洞的增加使得坝体的拉应力水准以及顺河向最大位移有所降低，这是有利于坝体安全的。值得注意的是，在工况Ⅱ的计算结果中，位移将会出现2个最大值，分别为下游方向和上游方向。这是因为该工况是温升情况，温度荷载在坝顶位置造成的逆河向位移大于水荷载在该位置的顺河向位移，因此，坝体顶部位移将会偏向上游，为负值；而坝体中下部，情况正好相反，该位置的位移偏向下游，为正值。

3.4 坝肩稳定分析

本文在进行稳定分析时，采用分层小块体方法。坝肩稳定的计算过程中，滑动力主要是由顺河向拱端力Fz提供的，抗滑稳定安全系数对Fz的变化亦很敏感。因此，传力洞在坝肩稳定的贡献上，Fz的大小将是一个直观而重要的指标。根据之前划分的单元网格形状，将拱坝由坝顶至坝底分为14层，计算统计左拱端各层顺河向力Fz的大小（见图2）。

图2 有无传力洞时Fz对比图

根据图2可知，在2种工况下，增设传力洞之后，第8、9两层的顺河向推力Fz明显大于未增设传力洞时的顺河向推力，而其他层的顺河向推力则稍小于未设传力洞的情况。传力洞的出口位于8 ～ 10层，在工况Ⅰ下，增设传力洞之后，这3层承载了拱坝左端38.7%的顺河向推力Fz，而未设传力洞时，该数值降低为28.2%；在工况Ⅱ下，这一数字分别为32.5%和23.0%。这说明，传力洞的作用非常明显，承担了大部分的拱端推力，同时也降低了坝肩基础承受的拱端推力。

坝肩稳定计算荷载主要有拱端力系、可能滑动岩体自重以及相应的扬压力。根据地质工程情况，限定左坝肩的侧滑面与结构面走向一致（NE30° ～ 50°），底滑面为水平面。各层侧滑面与底滑面的抗剪断系数按照高程的不同取值见表3。

表3 左坝肩地基抗剪断系数表

滑移体与坝轴线夹角从1° ～ 66°，每次递加5°，分别量取块体体积，底滑面面积，有效侧滑面面积，忽略上下块体之间的相互作用，这样使得计算结果偏于安全，计算某一层中各个角度的抗滑稳定安全系数，找到其最小值，即是最危险状况。可能滑移体扬压力的计算参考文献[7]提供的方法。如前所述，左拱端每一层对应1个滑移体的安全稳定计算，具体结果见图3。

图3 有无传力洞时Kfc对比图

从图3中可以看出，增设传力洞之后，总体上，坝肩各层的抗滑稳定安全系数相比没有传力洞的情况都有所提高。在工况Ⅰ（基本组合）下，未设传力洞时，第7、10两层的抗滑稳定安全系数均低于规范要求（3.0），分别为2.9和2.4，而增设传力洞之后，该层的抗滑稳定安全系数均达到了规范设计值，分别为3.3和3.1；在工况Ⅱ（特殊组合）下，未设传力洞时，第10层的抗滑稳定安全系数高于规范要求（2.5），为2.8，而增设传力洞之后，该系数提升为4.2。值得注意的是，工况Ⅰ下，第7、10两层滑移体的抗滑稳定安全系数在增设传力洞之后虽然已满足要求，但是该值较未增设传力洞时提高不明显，而且安全裕度不大。这主要是因为这2层滑移体分别与传力洞洞口毗邻或交接，难以确定传力洞或其周边混凝土材料对滑移体抗剪断系数的改善，而计算稳定时仍然使用表3中的抗剪断系数导致，属于偏安全做法。

4 结 语

本文基于三维有限元和传统的刚体极限平衡方法，对拱坝坝肩在不同工况下增设传力洞前后进行了应力、位移以及稳定分析和计算，计算成果符合规范设计要求。计算表明，增设传力洞之后，坝体的最大主拉应力水平有所降低，坝体变形也较之前减小，坝肩岩体的抗滑稳定安全系数也相应提高。

[1] 王毓泰，周维垣，毛健全，等．拱坝坝肩岩体稳定分析[M]．贵阳：贵州人民出版社，1982．

[2] 潘家铮．建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M]．北京：水利水电出版社，1980．

[3] 袁志刚，马连军，钟秀灵．混凝土拱坝坝肩抗滑稳定三维非线性有限元分析[J]．人民长江，2010，41(2)：9 - 27．

[4] 章青，陈爱玖，王大伟．基于非线性有限元法的高拱坝坝肩岩体抗滑稳定分析[J]．水利学报，2007，38(S1)：84 - 87．

[5] 马连军，钟秀灵，梁慧兰．复杂地基上混凝土拱坝三维非线性有限元稳定分析[J]．水电能源科学，2010，28(4)：75 - 77．

[6] 张宜虎，尹红梅，王亮清．鱼简河拱坝坝肩岩体稳定性分析[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(18)：3305 - 3310．

[7] 田儒琴．拱坝坝肩岩体重量和渗透压力计算的探讨[J]．湖南水力发电，2007，(3)：8 - 11．

（责任编辑 郎忘忧）

Application Research of Arch Dam Abutment Reinforcement Using Concrete Plug— A Case Stnely of Hulukou Hydropower Station

XIE Zhong - kai1，YE Ju - dong2
(1.Zhejiang Institute of hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China；2. Institute of Hydro - Structure and Water Environment Research，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China)

Geological conditions of the dam abutment are very important to the normal operation of the arch dam，the arch dam accidents are rarely due to their own problems，they are mostly caused by the instability of the dam abutment.In the case of poor dam foundation，concrete plug will be an effective reinforcement method.At present，concrete plug has been widely used，but the research on it is far behind the application.Therefore，the study on the stability of arch dam abutment under complicated geological conditions would be of great signif i cance.In this paper，based on the results of Hulukou hydropower station calculated by fi nite element analytical software ANSYS，the rigid limit equilibrium method is applied to testify the effect of concrete plug on arch dam.The result shows that concrete plug could improve the force situation of arch dam and the stability of dam abutment.

arch dam abutment treatment；concrete plug；3D fi nite element analysis；stability of dam abutment

TV122+.1

A

1008 - 701X(2017)04 - 0029 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.009

2017-03-17

浙江省水利科技计划项目(RC1601)；浙江省科技计划项目(2013C33033 )。

谢中凯(1985 - )，男，工程师，博士，主要从事水利工程结构分析方面研究。E - mail：xzkzju@126.com