拐弯型河道库盘深度变化对高拱坝变形影响分析

张 奎

(吉林省和龙市水利局，吉林 和龙 133500)

0 引 言

在水利工程建设中，高拱坝的库盘一般都承受着巨大的荷载，并且其工作条件极为复杂。在高拱坝施工初期蓄水及运行过程中，受到库水压力的长期作用，库盘变形，并经受汛期洪水、地震等突发性灾害的侵袭。此外，高拱坝库盘变形还与所处的地形、地质条件、库盘型式、变形影响范围、近坝区坝体结构、坝体建基条件(河床基础和两岸抗力体)等有关。而且高拱坝库盘地质条件复杂，内部断层、裂隙等结构面的特性、产状、分布组合关系等也对大坝工作性态造成影响。因此，通过系统研究高拱坝库盘变形的影响因素，提炼影响高拱坝库盘变形变化规律的一般性因素，为开展库盘变形研究提供指导，也为研究库盘变形对大坝工作性态影响提供理论依据和技术支撑。本文通过对拐弯型河道地形条件下库盘深度变化这一影响因素的研究，进一步分析拐弯型河道库盘上高拱坝的变形特点。

1 库盘模型的建立

目前，拐弯型河道库盘形式较为常见。为研究拐弯型河道库盘深度对库盘变形的影响，需要对库盘所处的地形条件建立拐弯型河道库盘大范围模型。

模型的范围：上游30 km，下游10 km，左右坝肩10 km，坝基础深度10 km，坝高300 m。

模型中坐标系：X轴垂直于拱坝中心线，指向左岸为正；Y轴平行于拱坝中心线，指向上游为正；Z轴以竖直向上方向为正。拐弯型河道库盘有限元模型主要采用六面体八节点等参单元，部分区域采用五面体六节点等参单元。

有限元划分：①坝体部位：河床坝段坝高为300 m剖分6层，河床坝段坝顶厚约为12.2 m剖分2层，河床坝段坝底厚约为74.2 m剖分2层，共划分144个单元，252各节点。②模型上游部分：上游5 km范围内均匀剖分成50层，5～10 km范围内均匀剖分成10层，此后每1 000 m剖分一层。③模型下游部分：下游1 km范围内均匀剖分成15层，1～2 km范围内均匀剖分成10层，2～3 km范围内均匀剖分成8层，3～4 km范围内均匀剖分成6层，4～5 km范围内均匀剖分成5层，此后每250 m剖分一层。④模型左右岸部分：左右岸1 km范围内均匀剖分10层，1～2 km范围内均匀剖分成5层，2～3 km范围内均匀剖分成3层，此后每1 000 m剖分一层。⑤坝基底部基岩：坝基底部500 km范围内均匀剖分成10层，500～2 km范围内均匀剖分15层，2～3 km范围内均匀剖分5层，3～4 km范围内均匀剖分3层，4～5 km范围内均匀剖分2层，此后每1 000 m剖分一层。拐弯型河道库盘模型共有485 486个单元，506 214个节点。拐弯型河道库盘有限元计算模型见图1～图2。

图1 拐弯型河道库盘整体有限元模型

图2 拐弯型河道近坝区有限元模型

边界条件：①库盘模型底部边界施加完全位移约束；②库盘上下游侧边界施加顺河向链杆约束；③库盘左右岸边界施加横河向链杆约束。

力学参数：拐弯型河道库盘有限元模型的物理力学参数见表1，库盘基础变形模量、密度逐渐增大，泊松比逐渐减小。

表1 拐弯型河道库盘有限元模型物理力学参数

2 库盘模型深度范围影响因素分析

库盘的变形受到库盘范围的影响，为了充分反映库盘范围引起的对库盘变形的影响，重点研究库盘的深度变化引起的对库盘变形的影响。

2.1 特征点选取

为研究不同库盘模型地基深度作用下的库盘变形变化规律，在库盘有限元模型计算中，假定库盘模型地基深度改变，其他因素不变，据此开展研究。选取拱冠梁坝踵、坝趾沉降位移，拱冠梁坝顶上游侧向上游位移，距坝上游约150、500 m，以及距坝下游约160 m的沉降位移6个典型点的计算位移值，来研究拐弯型河道库盘变形变化规律，沉降量取向下沉降为正，坝顶位移取向上游位移为正。典型点位置见图3。

2.2 模型计算

拐弯型河道库盘模型计算：上游方向取30 km、下游方向取10 km、左右岸宽度取10 km、坝前水深295 m固定不变；模型地基深度1～10 km每递增1 km计算一次，共10组数据。

图3 拐弯型河道典型点位置示意图

拐弯型河道库盘模型地基深度变化有限元模型计算结果见表2及图4～图8。

表2 拐弯型河道库盘模型不同地基深度下典型点位移

图4 拐弯型河道库盘模型不同地基深度下典型点位移

图5 拐弯型河道模型有限元模型沉降位移等值云图(竖直向上为正)

图6 拐弯型河道模型近坝区有限元模型沉降位移等值云图(竖直向上为正)

图7 拐弯型河道模型地基深度为10km时上下游坝体沉降等值云图(竖直向上为正)

图8 拐弯型河道模型地基深度为1km时上下游坝体沉降等值云图(竖直向上为正)

3 结 论

从表2、图5～图8可以看出，随着库盘模型地基深度的逐渐增加，6个典型点沉降量增加，初始增量较大，但增量随上游河道长度的增加而减小，很快收敛；拱冠梁向上游位移值也逐渐增大，增量不大，且增量随上游河道长度的增加而减小，逐渐收敛。坝体最大顺河向变形由1/4拱梁坝顶向拱冠梁坝顶转移。