李學(xué)軍

（河北省南水北調(diào)建設(shè)管理局，石家莊 050021）

丹江口水庫為南水北調(diào)中線的水源地，為滿足中線調(diào)水量的需要，對丹江口初期工程進(jìn)行加高培厚。

水庫1958年9月正式開工興建，1968年第1臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1973年初期工程建成。初期工程壩頂高程162m，正常蓄水位157m。

根據(jù)南水北調(diào)中線工程規(guī)劃（2001年修訂）的審查意見，要求加高丹江口水利樞紐大壩（加高14.6m至壩頂高程176.6m［1］）。大壩加高工程主要是對初期擋水建筑物進(jìn)行加高和對通航建筑物進(jìn)行改建。除右岸土石壩改線另建和左岸土石壩左端延長外，其余擋水建筑物均在初期工程的基礎(chǔ)上加高和改建。

雖然大壩加高在國外已有許多工程實(shí)例，丹江口大壩加高是在初期工程運(yùn)行使用的條件下進(jìn)行加高施工，其加高施工規(guī)模、大壩高度、技術(shù)難度在國內(nèi)外均屬少見，對于大壩加高工程設(shè)計(jì)施工無專門的技術(shù)規(guī)定，亦無成熟可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，所以在丹江口地區(qū)氣候環(huán)境、施工條件下，實(shí)施大壩加高工程存在諸多需要研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文選定丹江口水庫上游面水平裂縫最嚴(yán)重的1#壩段為例，研究新老混凝土結(jié)合面狀態(tài)對壩段抗滑穩(wěn)定的影響。研究方法與通常的剛體極限平衡法有所不同，主要用有限元法直接反力法［2］求出各個(gè)可能滑動(dòng)面上的內(nèi)力，利用重力壩規(guī)范［3］推薦的方法求出壩體抗剪斷與抗剪抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，最后給出結(jié)論建議。

1 計(jì)算方法

本文采用的SAPTIS［4］有限元分析程序是一款多功能有限元分析程序，由中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所張國新教授采用FORTRAN語言編制，已成功用于三峽、二灘、龍灘、小灣、溪洛渡、錦屏、拉西瓦、白鶴灘、糯扎渡、烏東德、景洪、魯?shù)乩?、觀音巖、南水北調(diào)等工程的各種溫度、應(yīng)力、變形、安全度等問題分析。

目前，SAPTIS程序主要為大型結(jié)構(gòu)溫度場、應(yīng)力場線性及非線性分析程序，主要特點(diǎn)包括：

1.1 考慮多種屈服模型

主要有：MC屈服破壞準(zhǔn)則，DP外接屈服破壞準(zhǔn)則，DP內(nèi)接屈服破壞準(zhǔn)則，DP與MC等面積屈服破壞準(zhǔn)則，H-T-C四參數(shù)準(zhǔn)則，WW五參數(shù)屈服準(zhǔn)則。在基本屈服破壞準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，考慮拉壞和壓壞影響，形成復(fù)合型擴(kuò)展屈服準(zhǔn)則；同時(shí)考慮材料破壞后非理想彈塑性體，加入了抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、粘聚力和摩擦系數(shù)的軟化因素，形成軟化型擴(kuò)展屈服準(zhǔn)則。

1.2 考慮混凝土壩真實(shí)施工進(jìn)程

包括壩體分塊成層澆筑、拱壩分縫逐步灌漿成拱及大壩分期蓄水等過程，考慮洞室開挖等施工過程，比較真實(shí)地模擬施工運(yùn)行過程。

1.3 具有多種縫單元

Saptis可以模擬大壩多種鍵槽作用，模擬灌漿前的開閉、灌漿過程、灌漿后的開閉屈服等，從而模擬大壩施工至運(yùn)行期間多種縫的狀態(tài)及其對大壩受力狀態(tài)的影響。

1.4 具有多種實(shí)體單元、縫單元、桿梁錨索單元

Saptis可用以模擬水利水電工程中遇到的各種溫度、滲流、變形、應(yīng)力等問題。采用高效壓縮數(shù)據(jù)存貯方式，具有共軛梯度法、高斯直接解法、直接并行解法等多種方程求解器，利用微機(jī)即可求解數(shù)百萬自由度的結(jié)構(gòu)分析問題。利用高性能服務(wù)器，可以對水利水電工程進(jìn)行大規(guī)模有限元分析。

2 工程算例

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 有限元計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

丹江口重力壩1#壩段有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 壩段有限元計(jì)算模型示意

（1）基礎(chǔ)計(jì)算范圍：順河向分別向上游和下游方向擴(kuò)展1.5倍的壩高，深度取壩高的1.5倍。

（2）1#壩段大壩主體：壩段壩寬15m，壩底高程112m，老壩踵厚度33m，老壩頂高143m，新壩踵厚度51m，新壩頂高程176.6m。有限元計(jì)算單元總數(shù)53410，結(jié)點(diǎn)總數(shù)61402，單元類型主要為六面體單元，材料分區(qū)分為加高混凝土和初期工程混凝土。

（3）新老壩結(jié)合面處理：143m高程由縫單元連接，143m高程以下新老壩結(jié)合面下游部位分離。

圖1給出了計(jì)算網(wǎng)格、模型主要體形參數(shù)尺寸、壩內(nèi)縫單元、材料分區(qū)示意圖。約束條件基礎(chǔ)四周法向約束、底面采用全約束，壩段主體兩側(cè)面法向約束。大壩荷載考慮水壓、沙壓、揚(yáng)壓力和自重，不考慮基礎(chǔ)自重荷載。

基礎(chǔ)及新老混凝土的彈性模量及泊松比見表1。

表1 基巖及新老混凝土彈性模量及泊松比

2.1.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算模型

1#壩段抗滑穩(wěn)定計(jì)算模型及邊界條件如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定計(jì)算模型及邊界條件 單位：m

由圖2可以看出，143m水平裂縫與143m高程以下的新老混凝土結(jié)合面將1#壩段分為2個(gè)隔離體，2個(gè)隔離體之間內(nèi)力作用如圖3所示，內(nèi)力大小由有限元位移反力法求出。

圖3 2個(gè)隔離體之間內(nèi)力作用示意

2.2 滑動(dòng)模式

抗滑穩(wěn)定分析中，將新老混凝土結(jié)合面考慮為最危險(xiǎn)的情況，即全部脫開，因此，1#壩段共有3個(gè)滑動(dòng)面，如圖4所示。

圖4 1#壩段不同隔離體滑動(dòng)面示意

1#壩段不同隔離體滑動(dòng)模式如表2所示。

表2 1#壩段不同隔離體滑動(dòng)模式

2.3 荷載和參數(shù)計(jì)算

計(jì)算荷載主要考慮荷載基本組合，即混凝土自重。計(jì)算參數(shù)采用正常蓄水位170m，泥沙高程115m，泥沙浮容重0.5t/m3。

對壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，需計(jì)算抗剪斷與抗剪兩種情況，滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)如表3。

表3 不同滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)

2.4 不考慮結(jié)合面進(jìn)水時(shí)壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

不考慮結(jié)合面進(jìn)水時(shí)，采用有限元直接反力發(fā)法，計(jì)算不同滑動(dòng)面上內(nèi)力如表4所示。

表4 不同滑動(dòng)面內(nèi)力 單位：t

不同滑動(dòng)模式下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表5。

表5 不同滑動(dòng)模式下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由表5可以看出，不考慮結(jié)合面進(jìn)水時(shí)，不同滑動(dòng)模式下最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：抗剪斷3.38、抗剪1.26，均大于抗剪斷3.00、抗剪1.10的規(guī)范允許值。

2.5 結(jié)合面進(jìn)水時(shí)壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

結(jié)合面進(jìn)水且全水頭時(shí)（如圖5所示），采用有限元直接反力法，計(jì)算不同滑動(dòng)面上內(nèi)力如表6所示。

圖5 1#壩段不同隔離體結(jié)合面水壓示意

表6 不同滑動(dòng)面內(nèi)力 單位：t

隔離體1由于承受的結(jié)合面水壓力指向上游，因此隔離體1的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于結(jié)合面無水的安全系數(shù)，這里不再計(jì)算。

隔離體2不同滑動(dòng)模式下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表7。

表7 不同滑動(dòng)模式下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由表7看出，考慮結(jié)合面進(jìn)水時(shí)，不同滑動(dòng)模式下最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：抗剪斷2.49、抗剪0.76，均小于抗剪斷3.00、抗剪1.10的規(guī)范允許值。

3 結(jié)語

針對丹江口大壩加高，重點(diǎn)對1#壩段安全度進(jìn)行了分析計(jì)算，通過分析比較新老混凝土結(jié)合面完好、結(jié)合面開裂及結(jié)合面開裂且進(jìn)水3種情況下的安全度，說明結(jié)合面狀態(tài)對壩段長期運(yùn)行安全的影響，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）1#壩段抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果表明，不考慮結(jié)合面進(jìn)水時(shí)，采用有限元法計(jì)算可能滑動(dòng)面內(nèi)力，在上游水平裂縫貫穿初期工程壩段，且下游結(jié)合面完全脫開的極端情況下，不同滑動(dòng)模式下最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：抗剪斷為3.38，抗剪為1.26，均滿足規(guī)范允許值要求（抗剪斷3.00、抗剪1.10）。

（2）考慮結(jié)合面進(jìn)水且全水頭時(shí)，1#壩段抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果表明，不同滑動(dòng)模式下最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：抗剪斷為2.49，抗剪為0.76，小于規(guī)范允許值。工程實(shí)際中必須避免結(jié)合面進(jìn)水情況。

（3）鑒于新老混凝土結(jié)合面張開面積較大，結(jié)合面進(jìn)水且排水不暢時(shí)，安全度大幅度降低，因此必須采取措施保證結(jié)合面排水暢通。

［1］陳志康，鄭光俊，王莉.丹江口大壩加高工程新老混凝土結(jié)合措施設(shè)計(jì)［J］.人民長江，2009，40（23）:93-95.

［2］張國新，劉毅.壩基穩(wěn)定分析的有限元直接反力法［J］.水利發(fā)電，2006，32（12）:30-38.

［3］SL319—2005，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］朱伯芳，張超然，張國新，等.高拱壩結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵技術(shù)研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［5］廖仁強(qiáng)，陳志康，張國新，等.丹江口大壩加高工程關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］.南水北調(diào)與水利科技，2009，7（6）：47-49.