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        大崗山拱壩整體有限元三維仿真

        2014-03-20 00:48:12潘燕芳龐明亮
        水電站設(shè)計(jì) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:橫河巖脈順河

        潘燕芳,龐明亮

        (中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

        1 工程概況

        大崗山水電站位于四川省雅安市石棉縣挖角鄉(xiāng)境內(nèi),為大渡河干流規(guī)劃的22個(gè)梯級(jí)的第14個(gè)梯級(jí)電站。壩型為混凝土雙曲拱壩,最大壩高210.00m。壩址距下游石棉縣城約40km,距上游瀘定縣城約72km。

        大崗山壩區(qū)兩岸山體雄厚,谷坡陡峻,基巖裸露,壩址河谷呈“V”形峽谷,自然坡度一般40°~65°,相對(duì)高差一般在600m以上。樞紐區(qū)河谷呈“Ω”形嵌入河曲形態(tài)。壩區(qū)基巖以花崗巖類(lèi)為主,但壩區(qū)工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜,存在一些不良的地質(zhì)缺陷:壩基面及以下存在的Ⅲ2類(lèi)花崗巖體較為軟弱;輝綠巖脈性狀較差,Ⅲ2~Ⅴ類(lèi)級(jí)的巖脈(斷層)均有不同程度的發(fā)育;獨(dú)立發(fā)育于花崗巖中的斷層多為巖屑夾泥型和泥夾巖屑型,為Ⅴ類(lèi)巖體。

        針對(duì)右岸β4(f5)產(chǎn)狀為N25°W / SW∠81°,破碎帶寬度為3.0~7.5m(0.3~1.0m),巖脈較松弛,與圍巖多呈裂隙式接觸,主要為Ⅳ類(lèi)巖體,斷層主要由片狀巖、糜棱巖組成,工程結(jié)合高高程拱端的四類(lèi)巖體采用墊座處理1 135~1 090m;巖脈β8(f7)產(chǎn)狀為N28°W/SW∠70°,破碎帶寬度為5.0~8.0m(0.3~0.5m,局部2.3m),斷層f7主要由片狀巖夾糜棱巖、壓碎巖、斷層泥組成,巖脈β8為Ⅴ類(lèi)巖體;巖脈β43(f6)產(chǎn)狀為N26°E~N28°W/NW(SW)∠55°~67°,破碎帶寬度為1.5~3.5m(1.0~1.8m),斷層f6主要由片狀巖組成,夾糜棱巖、斷層泥,巖脈β43為Ⅴ類(lèi)巖體;針對(duì)巖脈β8采用兩層平洞三條豎井、β43兩層平洞二條豎井,另兩條巖脈交叉部位共用一豎井的深部處理。

        左岸巖脈β21產(chǎn)狀為N10°~35°E/NW∠65°~75°,貫通左岸,延伸長(zhǎng)約700m,厚2.0~6.0m,較緊密,與圍巖多呈裂隙式接觸,部分地段(約40%)呈斷層式接觸,主要為Ⅳ類(lèi)巖體;工程采用三條平洞,兩層之前各采用2條豎井的深部處理方式。

        河床部位基礎(chǔ)集中發(fā)育的巖脈β87、β88(f124)、β144(f122)、β145(f123)主要發(fā)育于壩基上游側(cè)偏右岸,下游被β73截?cái)啵渲笑?44性狀差,為Ⅴ類(lèi),其它巖脈均為Ⅲ2類(lèi)。工程采用表層混凝土8m深置換塊進(jìn)行表層置換。

        結(jié)合壩址的工程地質(zhì)條件,模擬各項(xiàng)處理措施,通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算,說(shuō)明基礎(chǔ)處理對(duì)改善基礎(chǔ)剛度和兩岸基礎(chǔ)的對(duì)稱(chēng)性效果明顯,同時(shí)也在一定程度上改善了壩體受力形態(tài)。

        2 有限元模型

        以壩軸線(xiàn)為中心,向上游約1倍壩高,下游約2.5倍壩高,沿頂拱壩肩向兩岸各1.5倍壩高,建基面以下約1倍壩高,頂拱向上取50m,計(jì)算域整個(gè)范圍為1 200m×740m×470m。模型充分考慮了河谷地形主要特征,模擬了拱肩槽開(kāi)挖坡、右岸存在的巖脈β43、β8、β4、左岸巖脈β21等地質(zhì)結(jié)構(gòu)和壩區(qū)分布的各種巖體及其巖級(jí),并對(duì)河床建基面出露的輝綠巖脈:β73、β87、β88、β144、β145等進(jìn)行了概化處理。

        整體模型網(wǎng)格采用八節(jié)點(diǎn)六面體和四節(jié)點(diǎn)四面體單元,單元總數(shù)58萬(wàn),節(jié)點(diǎn)總數(shù)16.4萬(wàn)。拱壩整體模型網(wǎng)格見(jiàn)圖1。模型模擬了主要基礎(chǔ)加固處理措施:巖脈β43、β8和β21的混凝土置換網(wǎng)格、河床部位的置換混凝土和右岸高程1 135~1 090m的墊座。拱壩和墊座關(guān)系見(jiàn)圖2;巖脈β4、β8、β43、β21相對(duì)大壩空間位置關(guān)系見(jiàn)圖3;巖脈β8、β43置換網(wǎng)格見(jiàn)圖4;巖脈β21置換網(wǎng)格見(jiàn)圖5。

        圖1 拱壩整體有限元網(wǎng)格

        圖2 拱壩和墊座關(guān)系示意

        圖3 建基面與β43、β8、β4和β21關(guān)系示意

        圖4 β43、β8置換網(wǎng)格

        圖5 β21置換網(wǎng)格

        3 計(jì)算邊界

        主要考慮的設(shè)計(jì)荷載為:水、沙壓力和溫度作用;

        上游正常蓄水位:1 130.00m,相應(yīng)下游水位:966.104m;

        上游淤砂高程:1 050.00m;

        淤砂浮容重:5kN /m3,淤砂內(nèi)摩擦角:0°。

        按照《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式,計(jì)算拱冠梁剖面各個(gè)設(shè)計(jì)高程的溫度荷載見(jiàn)表1。計(jì)算中采用的材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

        計(jì)算起控制作用的基本荷載組合I:上游正常蓄水位+淤沙+相應(yīng)下游尾水位+壩體自重+設(shè)計(jì)溫降。

        4 仿真計(jì)算分析

        4.1 壩體應(yīng)力

        (1)上游面:基礎(chǔ)處理前后上游面拉、壓應(yīng)力的

        表1 設(shè)計(jì)高程的溫降溫度荷載

        注:Tm表示均勻溫度,Td表示線(xiàn)性溫差。

        表2 地質(zhì)材料參數(shù)

        分布規(guī)律相同,量值基本相當(dāng),在距建基面1/20壩高以上的上游面,絕大部分范圍內(nèi)均為壓應(yīng)力;拉應(yīng)力分布范圍均極小,僅出現(xiàn)在壩踵附近和頂拱,受應(yīng)力集中的影響,天然地基下上游面的拉應(yīng)力最大值3.67MPa,基礎(chǔ)處理后最大值3.58MPa,均出現(xiàn)在950m高程左岸壩踵。整個(gè)上游壩面主壓應(yīng)力較小,均小于6.0MPa。上游主拉應(yīng)力等值線(xiàn)(基礎(chǔ)處理后基本組合Ⅰ)見(jiàn)圖6。

        圖6 上游面主拉應(yīng)力等值線(xiàn)云圖

        (2)下游面:基礎(chǔ)處理前后下游壩面主拉、壓應(yīng)力的分布規(guī)律相同,量值基本相當(dāng),下游壩面高壓應(yīng)力區(qū)位于兩岸中下部高程的建基面附近,處理后極值由處理前的-14.41MPa降到-14.2MPa,極值位置不變均在左岸970m高程壩踵。處理前后整個(gè)下游面主壓應(yīng)力基本都小于10MPa,處理后大于10MPa壓應(yīng)力的單元比例由0.19%降到了0.14%?;A(chǔ)處理前整個(gè)下游面基本處于受壓狀態(tài),基礎(chǔ)處理后基本沒(méi)有拉應(yīng)力出現(xiàn)。下游面主壓應(yīng)力等值線(xiàn)(基礎(chǔ)處理后基本組合Ⅰ)見(jiàn)圖7。

        圖7 下游面主壓應(yīng)力等值線(xiàn)云圖(基礎(chǔ)處理后基本組合Ⅰ)

        4.2 壩體位移

        (1)壩體順河向位移:天然地基下壩體順河向位移上、下游面的分布規(guī)律是一致的,都由拱冠梁頂部分別向兩岸和壩體中下部逐漸減小。處理前后壩體順河向位移分布規(guī)律相同。位移極值都出現(xiàn)在1 135m高程拱冠梁附近,處理后,位移最大值由8.53 cm減至8.41cm,減小幅度為1.41%。壩體中面順河向位移等值線(xiàn)(加固地基基本組合Ⅰ)見(jiàn)圖8。

        (2)壩體橫河向位移:天然地基下壩體橫河向位移大致上沿河床中軸呈反對(duì)稱(chēng)分布,方向均指向拱冠,左右拱圈的位移較大區(qū)域均出現(xiàn)在左右1/4拱附近。基礎(chǔ)處理前后壩體橫河向位移分布規(guī)律相同,左岸量值有所減小,右岸極值位置和數(shù)值沒(méi)有變化。基礎(chǔ)處理前左岸最大值為-1.25cm,處理后左岸極值為-1.22cm,減小幅度為1.92%;極值位置由1 090m高程變到了1 080m高程。右岸處理前后均為0.9cm,右岸極值均位于1 070m高程。中面橫河向位移等值線(xiàn)見(jiàn)圖9。

        4.3 基礎(chǔ)位移

        基礎(chǔ)處理前后,基礎(chǔ)位移分布規(guī)律相同,位移較大區(qū)域均位于中部高程的兩岸壩趾附近,極值出現(xiàn)部位相同,極值局部有變化。

        圖8 中面順河向位移等值線(xiàn)(加固地基基本組合Ⅰ)

        圖9 中面橫河向位移等值線(xiàn)(加固地基基本組合Ⅰ)

        基礎(chǔ)順河向位移處理前左岸最大值為1.62cm,右岸的最大位移為-1.79cm;處理后左岸最大值為1.33cm,減小幅度為17.9%;右岸最大值為-1.46cm,減小幅度為18.4%。處理前后左岸極值位置均在1 000m高程壩趾、右岸極值位置均在960m高程壩趾。

        基礎(chǔ)橫河向位移處理前左岸的位移最大值為0.64 cm,右岸為-0.65 cm;處理后橫河向位移左岸極值減小為0.54 cm,減小幅度為15.6%,極值位置沒(méi)有變化,仍在1 000m高程壩趾,右岸極值為-0.45 cm,減小幅度為30.8%,極值位置由965m高程移到了980m高程壩趾。

        處理前后左、右岸拱端點(diǎn)沿高程方向順河向、橫河向位移比較見(jiàn)圖10~13;可見(jiàn)左岸950~1 030m高程間對(duì)β21網(wǎng)格的處理、右岸1 135~1 090m高程對(duì)墊座的處理、右岸930~980m高程間對(duì)β8、β43的處理減小了建基面位移,使拱端位移沿高程分布明顯平順,避免了建基面位移突變。

        圖10 左岸建基面中節(jié)點(diǎn)順河向位移處理前后位移比較

        圖11 右岸建基面中節(jié)點(diǎn)順河向位移處理前后位移比較

        圖12 左岸建基面中節(jié)點(diǎn)橫河向位移處理前后位移比較

        圖13 右岸建基面中節(jié)點(diǎn)橫河向位移處理前后位移比較

        5 有限元仿真和拱梁分載法計(jì)算結(jié)果比較

        (1)三維有限元仿真分析,是作為拱梁分載法計(jì)算的校核和補(bǔ)充。根據(jù)對(duì)基本荷載組合Ⅰ的計(jì)算,除建基面附近的局部部位因應(yīng)力集中出現(xiàn)拉應(yīng)力難于評(píng)價(jià)外,壩面大部分處于受壓狀態(tài),應(yīng)力和位移分布規(guī)律與拱梁分載法計(jì)算結(jié)果基本一致。

        (2)兩種方法計(jì)算的上、下游面壓應(yīng)力分布規(guī)律相同,壩體上游面主壓應(yīng)力呈對(duì)稱(chēng)分布,高應(yīng)力區(qū)集中在1 010~1 090m高程拱冠附近。拱梁分載法計(jì)算上游面最大主壓應(yīng)力為5.71MPa出現(xiàn)在1 050m高程拱冠梁處。有限元計(jì)算的最大主壓應(yīng)力為6.0MPa出現(xiàn)在1 090m高程拱冠梁偏左處。下游面主壓應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)位于兩岸中下部高程的建基面附近,拱梁分載法計(jì)算下游面最大主壓應(yīng)力為6.05MPa出現(xiàn)在950m高程右拱端,有限元計(jì)算的最大主壓應(yīng)力為14MPa出現(xiàn)在970m高程左拱端。

        (3)兩種計(jì)算方法均表明,大壩下游面基本處于受壓狀態(tài),拱梁分載法計(jì)算僅在壩體上游面1 050m、1 010m高程拱端、河床925m高程和壩體下游面925m高程拱端出現(xiàn)了拉應(yīng)力,但拉應(yīng)力的值較小,其中上游面最大主拉應(yīng)力為-0.38MPa,出現(xiàn)在1 050m高程左拱端,下游面最大主拉應(yīng)力為-0.18MPa,出現(xiàn)在1 120m高程右1/4拱附近,有限元計(jì)算上游面拉應(yīng)力分布范圍均極小,僅出現(xiàn)在壩踵附近和頂拱,受應(yīng)力集中的影響,上游面的拉應(yīng)力最大值3.58MPa,出現(xiàn)在950m高程左岸壩踵,整個(gè)下游壩面基本處于受壓狀態(tài),主拉應(yīng)力較小,處理后基本沒(méi)有拉應(yīng)力出現(xiàn)。

        (4)兩種計(jì)算方法得出壩體順河向位移上、下游面的分布規(guī)律是一致的,都由拱冠梁向兩岸和壩體中下部逐漸減小。拱梁分載法計(jì)算的最大值為8.01cm,出現(xiàn)在1 090m高程拱冠梁,有限元計(jì)算極值為8.5cm左右,位置出現(xiàn)在頂拱拱冠梁。

        6 結(jié) 論

        (1)天然地基情況下,大壩應(yīng)力分布符合一般規(guī)律,拉應(yīng)力分布范圍有限,整個(gè)壩面基本處于受壓狀態(tài),除應(yīng)力集中區(qū)外,壓應(yīng)力量級(jí)也處于較為合理的水平。高拉應(yīng)力區(qū)位于上游面950m高程左岸壩踵,上游面拉應(yīng)力分布面積僅占?jí)蚊婵偯娣e的5%;高壓應(yīng)力區(qū)位于下游面左岸970m高程壩趾,下游面主壓應(yīng)力大于8MPa的分布面積占1.68%,而大于10MPa的區(qū)域僅占0.2%?;A(chǔ)處理前后壩體上、下游面拉壓應(yīng)力分布規(guī)律相同,量值相當(dāng),基礎(chǔ)處理對(duì)大壩的應(yīng)力狀態(tài)影響有限。

        (2)天然地基情況下,壩體最大順河向位移出現(xiàn)在1 135m高程拱冠梁附近,為8.53cm,最大橫河向位移為1.25cm出現(xiàn)在1 090m高程的左、右岸1/4拱位置。考慮基礎(chǔ)處理措施以后,大壩位移分布規(guī)律相同,數(shù)值上略有減少。其中,順河向位移減少至8.41cm,橫河向位移減少至1.22cm。

        (3)天然地基情況下,受左岸β21、右岸β8、β43以及右岸上部高程Ⅳ、Ⅲ2類(lèi)花崗巖的影響,相應(yīng)部位拱端位移明顯偏大,兩岸拱端位移沿高程的分布曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)性較差。基礎(chǔ)最大順河向位移值為-1.79cm,位于右岸的960m高程??紤]基礎(chǔ)處理措施以后,兩岸拱端位移分布平順,沿高程的突變基本消除;拱端位移沿高程的分布曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)性明顯改善;拱端位移值改善明顯,其中,順河向位移左岸減小17.9%,右岸減小18.4%。

        (4)從有限元成果看,現(xiàn)階段大崗山拱壩應(yīng)力、位移分布合理,除小部分區(qū)域存在一定的應(yīng)力集中外,壩體拉壓應(yīng)力基本在控制應(yīng)力范圍以?xún)?nèi)。針對(duì)右岸上部高程Ⅳ、Ⅲ2類(lèi)花崗巖以及兩岸巖脈的基礎(chǔ)處理措施,對(duì)改善基礎(chǔ)剛度和兩岸基礎(chǔ)的對(duì)稱(chēng)性效果明顯,同時(shí)也在一定程度上改善了壩體受力形態(tài)。

        (5)三維有限元分析計(jì)算,是作為拱梁分載法計(jì)算的校核和補(bǔ)充。根據(jù)對(duì)基本荷載組合Ⅰ的計(jì)算,除邊界應(yīng)力因應(yīng)力集中影響難于評(píng)價(jià)外,壩面大部分處于受壓狀態(tài),僅在建基面附近的局部部位出現(xiàn)拉應(yīng)力,應(yīng)力和位移分布規(guī)律與拱梁分載法計(jì)算結(jié)果基本一致。

        [1] 朱伯芳.《有限單元法原理與應(yīng)用》(第二版)[M].中國(guó)水利水電出版社,1998(10).

        [2] 龔玉鋒.丁旭柳雙曲拱壩壩體結(jié)構(gòu)有限元分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2006(10).

        [3] 王均星,張優(yōu)秀,鄒鵬飛.貓兒巖拱壩結(jié)構(gòu)計(jì)算分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2003(10).

        [4] 孫松林,朱瑞晨.白鶴灘拱壩三維有限元分析[J].水電能源科學(xué),2005(12).

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