面板堆石壩設計方案研究

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［摘要］混凝土面板堆石壩具有安全性、經濟性以及地形條件適應性方面的突出優勢，是水利工程建設領域的首選壩型。文章以和尚溝水電站為例，通過有限元仿真計算，對兩種不同的面板堆石壩設計形式進行對比分析，結果顯示，鑲嵌混凝土面板堆石壩的沉降幅度大幅減小，順坡向應力和撓度均有顯著改善，建議在大壩設計時采用。

［關鍵詞］靜力數值分析；面板堆石壩；和尚溝水電站

1工程背景

擬建中的和尚溝水電站位于遼寧丹東鳳城市石城鎮境內的愛河上游干流上，是愛河梯級開發的重要規劃工程，是一座以發電為主，兼具防洪和養殖等綜合功能的小型徑流式水電站。趙家堡子水電站工程主要由面板堆石壩、溢流壩、引水系統和電站廠房構成，項目所在地區屬于長白山系，區內山脈多南北走向，由于受到鴨綠江水系的強烈侵蝕作用，呈現出群峰聳立、山高谷深的地貌景觀。從地層巖性來看，基底埋藏較深，沉積蓋層主要是泥盆紀、三疊紀至下第三系地層，主要由海相碳酸鹽和淺海、濱海碎屑巖構成。總體來看，項目區的地貌以高山峽谷地貌為主，輔以部分溶蝕地貌，為典型的峽谷性水庫。混凝土面板堆石壩在建設與運行過程中的動力特征是大壩設計中必須要考慮的問題[1]。為了有效控制面板堆石壩的堆石體變形，提高其穩定性，對面板堆石壩的體型設計進行深入研究，探究不同體型堆石壩的應力變形規律，具有重要的理論和實踐意義。

2有限元模型的構建

2.1計算方案。針對和尚溝水電站的工程實際，擬定鑲嵌面板堆石壩和普通面板堆石壩兩種不同方案進行對比研究[2]。其中，方案一為鑲嵌面板堆石壩，設計壩高為150.0m，壩頂寬為10.0m，上游壩坡的坡比為1∶1.4，在大壩的上游壩踵部位設置高度為60.0m，頂寬10.0m的C25鋼筋混凝土結構。鑲嵌混凝土面板的長度為130.77m，頂部和底部的最大計算厚度分別為0.4m和0.7m，面板采用標號C30混凝土澆筑；方案二為普通面板堆石壩，混凝土面板的斜面長度為234.10m，底部最大計算厚度為0.85m，其余參數與方案一相同。2.2計算模型。利用設計的面板堆石壩的標準剖面進行ABAQUS有限元模型構建，以沿河方向為X軸，指向下游的方向為正方向；以鉛直方向為Y軸方向，以向上的方向為正方向[3]。結合相關研究成果，模型的建模范圍為大壩地基向上下游與深度方向各延伸1.0倍壩高[4]。在模型建模范圍確定之后，以平面三角形單元進行模型的網格劃分[5]。其中，方案一最終獲得4123個計算單元，2346個計算節點；方案二共得到3987個計算單元，2268個計算節點。2.3計算參數。研究過程中，對大壩堆石體所用的材料采用鄧肯-張E-B非線性模型，其主要參數見表1[6]。大壩其余部位的材料在模型計算中均按照線2019年第9期東北水利水電規劃設計性材料處理，其中大壩面板與壩趾的混凝土參數依照工程設計取值，基巖參數依照同類工程經驗取值，結果見表2[7]。計算過程中，在壩體施工與蓄水期采取22級逐級加載的方式進行模擬計算，計算模型的大壩基巖底面設置固端約束，在模型的X軸方向設置簡支處理，壩踵混凝土結構和基巖按照整體進行考慮[8]。

3計算結果分析

3.1方案一計算結果分析。3.1.1竣工期計算結果分析。利用上節構建的計算模型，對方案一竣工期條件下大壩的位移進行計算。通過對計算結果的分析可知：竣工期大壩在水平位移方面呈現出上游部分向上游平移，下游部分向下游平移的規律。其中，上游向的水平位移最大值為2.88cm，位于約1/4壩高的壩體上游部位，而下游向的最大位移值是11.26cm，位于約1/3壩高的壩體下游部位。從豎向位移來看，竣工期大壩壩體的豎向位移最大值為70.42cm，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對方案一條件下竣工期大壩的應力進行計算，由計算結果可知，大壩竣工期的最大和最小主應力均呈現出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢。其中，最大主應力全部表現為壓應力，最大應力值為2.55MPa，位于大壩堆石體的底部；最小主壓應力為0.52MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應力值為0.07MPa，出現的部位是大壩下游面接近壩頂的位置。3.1.2蓄水期計算結果分析。利用計算模型，對方案一條件下蓄水期大壩的位移進行計算。通過對計算結果的分析可知：與竣工期不同，蓄水期大壩在水平位移方面均呈現出向下游平移的規律。其水平位移最大值為27.43cm，位于約1/2壩高的壩體上游部位。從豎向位移來看，蓄水期大壩壩體的豎向位移最大值為72.70cm，出現部位與竣工期相同，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對方案一蓄水期條件下大壩應力進行計算，由計算結果可知，大壩竣工期的最大和最小主應力均呈現出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢。其中，最大主應力全部表現為壓應力，最大應力值為2.69MPa，位于大壩堆石體的底部；最小主壓應力為0.59MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應力值為0.39MPa，出現的部位是重蓋區頂部。3.1.3面板應力變形計算結果分析。對方案一條件下大壩混凝土面板撓度與應力值進行模型計算，結果見圖1。由計算結果可知，面板的主應力表現為順坡向應力，其中壓應力最大值出現在面板斜長1/3的部位，為2.79MPa，最大拉應力出現在面板的底部，為0.11MPa；混凝土面板的撓度為19.36cm，出現的部位是混凝土面板斜長的1/3處。3.2方案二計算結果分析。3.2.1竣工期計算結果分析。利用的計算模型對方案二竣工期條件下大壩的位移進行計算。通過對計算結果的分析可知：竣工期大壩在水平位移方面呈現出上游部分向上游平移，下游部分向下游平移的規律。其中，上游向的水平位移最大值為13.02cm，位于約1/3壩高的壩體上游部位，而下游向的最大位移值是10.01cm，位于約1/3壩高的壩體下游部位。從豎向位移來看，竣工期大壩壩體的豎向位移最大值為83.62cm，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對方案二條件下竣工期大壩的應力進行計算，由計算結果可知，大壩竣工期的最大和最小主應力均呈現出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢。其中，最大主應力全部表現為壓應力，最大應力值為2.51MPa，位于大壩堆石體的底部；最小主壓應力為0.51MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應力值為0.08MPa，出現的部位是大壩下游面接近壩頂的位置。3.2.2蓄水期計算結果分析。利用計算模型，對方案二條件下蓄水期大壩的位移進行計算。通過對計算結果的分析可知：與竣工期不同，蓄水期大壩在水平位移方面均呈現出向下游平移的規律。其水平位移最大值為35.58cm，位于約1/2壩高的壩體上游部位。從豎向位移來看，蓄水期大壩壩體的豎向位移最大值為74.76cm，出現部位與竣工期相同，位于大壩中間約1/2壩高的部位。對方案二蓄水期條件下大壩應力進行計算，由計算結果可知，大壩竣工期的最大和最小主應力均呈現出隨高度的降低而逐漸增大的趨勢。其中，最大主應力全部表現為壓應力，最大應力值為2.69MPa，位于大壩堆石體的底部：最小主壓應力為0.55MPa，位于大壩堆石體的底部，最小主拉應力值為0.30MPa，出現的部位是重蓋區頂部。3.2.3面板應力變形計算結果分析。對方案一條件下大壩混凝土面板撓度與應力值進行模型計算，結果見圖2。由計算結果可知，面板的主應力表現為順坡向應力，其中壓應力最大值出現在面板斜長2/3的部位，為6.24MPa，最大拉應力出現在面板的底部，為3.51MPa：混凝土面板的撓度為38.26cm，出現的部位是混凝土面板斜長的1/2處。

4方案的對比與選擇

對兩種不同設計方案下的面板堆石壩的應力變形結果進行統計，結果如表3所示。由表中的結果可知，兩種方案相比，無論是竣工期和蓄水期，大壩主應力的計算結果比較接近，但是在方案一的條件下，大壩的沉降幅度大幅減小。對面板應力變形的計算結果進行統計分析，結果如表4所示。采用方案一，也就是鑲嵌混凝土面板堆石壩壩型時，大壩面板的順坡向應力和撓度均有顯著改善。結合上述分析，建議在大壩設計時采用鑲嵌混凝土堆石壩。

5結語

混凝土面板堆石壩以其安全性、經濟性以及地形條件適應性方面的突出優勢，成為當前水利工程建設領域的首選壩型。對混凝土堆石壩而言，現有的動力計算方法雖然可以對靜力反應特征進行準確反應，但是針對不同結構形式的堆石壩的靜力反應規律研究仍不完善。文章以遼寧省丹東愛河干流上擬建的和尚溝水電站為例，設計了常規面板堆石壩和鑲嵌混凝土面板堆石壩兩種壩型，通過有限元仿真計算，對兩種壩型進行對比分析，結果顯示，鑲嵌混凝土面板堆石壩面板的大壩的沉降幅度大幅減小，順坡向應力和撓度均有顯著改善，建議在大壩設計時采用鑲嵌混凝土堆石壩。同時本文研究結論也顯示，鑲嵌混凝土面板堆石壩在施工期和蓄水期具有較高的整體穩定性和安全性，具有良好的工程應用價值，對水利工程中的面板堆石壩設計建設具有一定的參考價值。

作者:齊兆東 單位:阜新蒙古族自治縣水利事務服務中心