深厚覆盖层上高混凝土闸坝静力特性研究

王登银，张 洋，徐 宇，向海军

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611130)

丹巴水电站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴县境内的大渡河干流上，为大渡河干流22级梯级开发中的第8级水电站，上接巴底水电站，下临猴子岩水电站，是以发电为主的大型水电工程。工程采用混合式开发，推荐方案水卡子坝址距丹巴县城约20 km，厂址在丹巴县城南小金河口上游约400 m处，厂坝之间采用约17.4 km的左岸引水系统连接，生态小机组位于闸坝右岸下游侧。电站主要建筑物有拦河闸坝、引水系统、地面厂房及开关站等(如图1所示)，闸坝最大坝高42 m。水库总库容0.398 9亿m3，死水位1 992 m，调节库容0.115 4亿m3，自身具有日调节性能，与上游具有控制性作用的梯级双江口水电站联合运行具有年调节特性。电站额定水头124 m，单机额定引用流量为267.52 m3/s。小金河厂房安装4台单机容量为295 MW的水轮发电机组，生态小机组装机容量16.6 MW，总装机容量1 196 MW。

在深厚覆盖层上建坝面临众多技术难题[1]，丹巴水电站的闸坝基础河床覆盖层深厚，最大厚度达133 m，主要由漂卵石层及砂层、砂质粉土层和砂质壤土层等组成。物质成份、成因复杂，各层厚度、组成及物理力学特性差异较大，呈现出较大的不均匀性，其中有静水沉积的粉细砂、粉土层及砂层透镜体分布，坝基条件极其复杂。

1 静力计算分析本构模型

1.1 “南水”双屈服面弹塑性模型

闸坝基础由散离体材料组成，物质条件复杂，层状叠加及局部互层结构导致基础覆盖层工程性质呈现复杂多样性[2]。“南水”双屈服面弹塑性模型作为散离体材料的计算分析本构模型具有诸多优势[3-5]，该模型与非线性弹性模型相比，可以考虑堆石体的剪胀和剪缩特性，能够较为真实地反映坝体的应力应变性状。

图1 工程布置纵剖面示意

“南水”双屈服面弹塑性模型的两个屈服面为

(1)

式中，p、r、s为模型参数，对堆石料均可以取2。

双屈服面模型应变增量表达式为

(2)

式中，[D]为弹性矩阵；{n1}和{n2}为屈服面法线方向余弦；A1和A2为塑性系数，取值见文献[3]。

双屈服面弹塑性模型有8个模型参数，分别为杨氏模量系数K、切线杨氏模量n、破坏比Rf、土的粘聚力c、内摩擦角φ、发生最大收缩时的(σ1-σ3)d与偏应力的渐近值(σ1-σ3)ult之比Rd、σ3等于单位大气压力时的最大收缩体应变cd和收缩体应变随σ3的增加而增加的幂次nd，这8个参数均可由常规三轴试验结果整理得出。

1.2 混凝土结构

混凝土面板采用线弹性模型，其应力应变关系符合下列广义虎克定律

{σ}=[D]{ε}

(3)

1.3 接触面模型

由于混凝土结构与周围材料的刚度差异较大，在荷载作用下，两者接触面因变形不协调会发生相对位移。为了反映两者之间的相互作用，进行有限元分析时，必须考虑其接触特性。

本文采用Goodman单元进行计算，接触面上的应力和相对位移关系为

[σ]=[K0][w]

(4)

2 计算参数及模型

2.1 计算参数

混凝土防渗墙、闸坝及闸底板混凝土结构为刚性材料，均采用弹性模型计算，计算参数如表1所示；闸坝基础覆盖层由散离体材料组成，为探索其力学特性，对基础覆盖层进行室内大三轴试验，并以三轴试验成果为基础，拟合基础覆盖层的“南水”模型计算参数[6]，得出计算参数如表2所示。

表1 弹性参数

2.2 计算单元模型

根据工程实际的布置及计算边界，建立三维有限元计算模型如图2所示。三维有限元模型共157 239个单元，199 903个节点。模型底部取到基岩面，两侧取到两岸基岩位置；上游侧自闸轴线位置向上游取200 m，下游侧自闸轴线位置向下游取300 m，作为上下游的计算边界。

表2 “南水”模型参数

3 研究成果与分析

为深入研究深厚覆盖层上高混凝土闸坝及基础的静力特性，研究建成运行后闸坝、闸底板及基础的变形、应力状态，采用三维有限元对闸坝蓄水运行状态进行仿真分析，对工程安全运行的可行性进行判断。

图2 计算单元模型示意

图3 闸坝最大断面运行期变形(单位：cm)

3.1 变形

图3为闸坝的最大断面运行期顺河向位移和沉降变形分布。由图3可知，闸坝运行期下部覆盖层最大顺河向位移为5.8 cm，发生在防渗墙顶部位置；受蓄水后水荷载的影响，整个变形趋势指向下游。闸坝运行期下部覆盖层最大沉降为15.0 cm，发生在闸底板底部下游侧位置。变形计算成果与国内覆盖层上的高闸坝福堂水电站有限元分析成果接近[7]。

3.2 应力

图4为闸坝的最大断面覆盖层运行期大主应力、小主应力和应力水平分布。由图4可知，大主应力最大值为2.4 MPa，发生在覆盖层底部位置；小主应力最大值为1.1 MPa，发生在覆盖层底部位置；最大应力水平为0.7，发生在覆盖层软弱层中，覆盖层整体应力水平不高，发生剪切破坏的风险较小。

图4 闸坝最大断面覆盖层运行期应力情况(单位：MPa，拉为负)

图5为运行期闸底板拉应力分布。由图5可知，闸底板最大拉应力为2.0 MPa，发生在7号闸底板上表面中间位置，为封闭环形区域，未出现扩张趋势，其余部位拉应力较小；由于闸底板采用C40钢筋混凝土，拉应力小于C40混凝土允许拉应力，闸底板不会出现拉裂。

图5 闸底板拉应力分布(单位：MPa，拉为负)

图6为蓄水期防渗墙坝轴向和竖直向应力分布。由图6可知，坝轴向应力以压应力为主，最大压应力为8.5 MPa，发生在防渗墙顶部7号闸与右副坝坝段位置，坝轴向最大拉应力为2.0 MPa，发生在防渗墙与右岸边坡交接面上部位置；竖向应力基本均为压应力，最大压应力为22 MPa，发生在防渗墙与右岸岸坡交接面底部位置，在防渗墙与左右岸岸坡交接面的顶部位置局部存在拉应力，最大拉应力为2.0 MPa，发生在右岸侧。防渗墙的应力状态表明，其拉压应力均在钢筋混凝土自身性能控制范围内，不会出现拉裂或压损破坏。

图6 蓄水期防渗墙坝轴向和竖直向应力分布(单位：MPa，拉为负)

4 结 语

随着坝工理论分析水平的不断提升以及施工设备、技术的不断进步，在深厚覆盖层上建设高混凝土闸坝遇到的闸基沉降、不均匀变形、闸基稳定等关键技术难题均有所突破[8]。本文对建设在深厚覆盖层上的丹巴水电站的高闸坝进行静力特性研究，探索了复杂地基条件下建设高闸坝的可行性。研究结果表明，通过合理的基础处理方案，可使混凝土闸坝与覆盖层基础整体变形协调。三维有限元计算成果表明，蓄水运行期覆盖层基础的最大沉降为15cm、最大顺河向位移为5.8cm，闸底板、防渗墙及覆盖层基础的应力形态较好，应力水平处于可控状态。