程漢昆，宋兵偉（.大連市水利規(guī)劃設計院，遼寧大連60；.大連市水利建筑設計院，遼寧 大連 60）

豐滿水庫新壩施工對舊壩抗滑穩(wěn)定的影響

程漢昆1，宋兵偉2
（1.大連市水利規(guī)劃設計院，遼寧大連116021；2.大連市水利建筑設計院，遼寧 大連 116021）

采用有限單元法實施豐滿大壩新壩壩基開挖及壩體澆筑施工，對舊壩抗滑穩(wěn)定性影響進行了數(shù)值仿真計算。選取了新壩施工期間對舊壩最不利的壩段，并將此壩段作為典型壩段，分析其遭遇不同頻率洪水時的抗滑穩(wěn)定性，得出新壩壩基開挖及壩體澆筑施工，對舊壩抗滑穩(wěn)定性影響不大的結(jié)論。

抗滑穩(wěn)定；有限單元法；重力壩；豐滿水庫

0　前言

豐滿水電站全面治理工程新壩軸線位于原大壩軸線下游120.0 m處，壩型采用碾壓混凝土重力壩，壩頂高程為269.5 m，泄洪方式采用壩身泄洪，挑流消能。新壩建成后，引水發(fā)電和泄洪壩段對應的老壩部分，拆除至高程240.0 m。

采用有限單元法實施豐滿大壩新壩壩基開挖及壩體澆筑施工，對老壩抗滑穩(wěn)定性影響進行數(shù)值仿真計算，分析其遭遇不同頻率洪水時，老壩典型壩段的抗滑穩(wěn)定性，從而為工程施工及類似工程建設提供實踐經(jīng)驗及理論支撐。

1　計算模型與計算荷載

1.1計算模型

采用ANSYS有限元軟件進行分析，以某溢流壩段作為典型壩段建立三維有限元模型。計算模型取一定范圍地基，在地基豎直邊界和底面均采用固定約束。三維坐標方向如下：X向以順河向指向下游為正；Y向以豎直向上為正；Z向沿壩軸線方向由左岸指向右岸為正。

1.2計算荷載與力學參數(shù)

根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》［2，3］規(guī)定，荷載分別考慮新壩在施工前、基坑開挖、澆筑至原地面線、澆筑至220.0 m高程處及澆筑至240.0 m高程處五種情況下的組合。

對于豐滿老壩的抗滑穩(wěn)定計算，選取正常蓄水位、設計洪水位及校核洪水位三種工況進行安全復核，荷載組合如表1所示。

表1　計算工況及荷載組合

新壩施工期老壩水位情況見表2。由于正常蓄水位時，下游有圍堰存在故對應下游無水。

表2　新壩施工期老壩水位情況

典型壩段壩體材料分區(qū)見圖1。有限元計算時，根據(jù)壩體材料物理力學指標及工程地質(zhì)勘察報告選取力學參數(shù)，具體見表3［4］。

表3　力學參數(shù)

抗滑穩(wěn)定計算時采用的壩體混凝土與基巖之間抗剪斷參數(shù)：f′=1.0，c′=0.9 MPa；深層抗滑穩(wěn)定計算時采用的巖石與巖石抗剪斷參數(shù)：f′=1.0，c′= 1.1 MPa。

圖1　某溢流壩段剖面及材料分區(qū)

2　抗滑穩(wěn)定計算原理

2.1剛體極限平衡法［1］

剛體極限平衡法是目前廣泛應用于壩基巖體抗滑穩(wěn)定分析且被重力壩設計規(guī)范所推薦的一種方法。該方法先假定某一滑動面，將滑移面上的各塊基巖及壩體視為剛體，然后根據(jù)滑移體上靜力平衡這一條件，對滑動塊體的安全度作籠統(tǒng)的整體分析。剛體極限平衡法又分為抗剪斷強度計算公式及抗剪強度計算公式。（SL319-2005）《混凝土重力壩設計規(guī)范》［2］中抗剪斷強度計算公式：式中各符號意義詳見規(guī)范［2］。

抗剪強度計算公式：式中各符號意義詳見規(guī)范［2］。

（DL5108-1999）《混凝土重力壩設計規(guī)范》［3］中采用的分項系數(shù)表達式，實質(zhì)意義與上述公式一致。

2.2有限單元法［5］

有限單元法是利用彈性理論和計算機軟件求解數(shù)值方程的一種數(shù)值分析方法，也是解決大型復雜結(jié)構或者多自由度體系等工程實際問題一種非常有效的計算工具。有限元分析中最基本的思想是單元離散，即將復雜的連續(xù)體結(jié)構剖分為數(shù)量和尺寸有限的若干單元，然后就各單元進行分析，最后集成求解整體位移。

利用有限單元法對重力壩進行抗滑穩(wěn)定評價時，可以通過抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)來體現(xiàn)。的定義借鑒一般剛體極限平衡法中安全系數(shù)的定義，即

式中：τi，σi分別為滑動面上第i個單元的剪應力和正應力；fi′，ci′分別為滑動面上第i個單元材料抗剪斷強度參數(shù)；li為第i個單元沿滑動方向長度；n為滑動面上單元個數(shù)。

3計算結(jié)果與分析3.1沿建基面的抗滑穩(wěn)定性分析

表4給出了新壩基坑開挖及壩體澆筑施工前、施工期和施工后老壩沿建基面的抗滑穩(wěn)定計算成果。分別采用了剛體極限平衡法和有限單元法計算老壩沿建基面的抗滑穩(wěn)定性。

表4　老壩沿建基面抗滑穩(wěn)定安全性復核計算成果

由計算結(jié)果可知，老壩在新壩各施工階段遭遇不同頻率洪水時，沿建基面的抗滑穩(wěn)定均可滿足安全要求。施工期相對于施工前老壩壩基穩(wěn)定安全度變化不大。另外，通過剛體極限平衡法和有限單元法計算結(jié)果對比可知，采用剛體極限平衡法設計更為保守。

3.2沿下游基坑開挖底面的抗滑穩(wěn)定性分析

在實際施工中，有可能在建基面以下與基坑開挖底面平齊的巖石層面，形成深層滑動，從而危及老壩的安全。因此進一步分析了沿基坑開挖底面巖石層面的抗滑穩(wěn)定性。

表5給出了考慮基坑開挖影響下沿基巖內(nèi)部可能滑裂面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

由計算結(jié)果可知，考慮新壩基坑開挖影響后，沿與基坑底面平齊的可能滑裂面抗滑穩(wěn)定性仍可滿足要求。

表5　新壩基坑開挖后老壩基巖面抗滑穩(wěn)定安全性復核計算成果

4　結(jié)語

1）在不考慮新壩施工對老壩防滲體系影響的前提下，豐滿水庫新壩施工各階段，老壩在遭遇不同頻率洪水時沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全均可滿足要求。

2）豐滿水庫新壩施工期相對于施工前老壩沿建基面抗滑穩(wěn)定安全度變化不大。

3）考慮豐滿水庫新壩施工基坑開挖后沿基坑底面可能滑裂面的抗滑穩(wěn)定安全度較高，滿足要求。

4）豐滿水庫新壩基坑開挖及壩體混凝土澆筑對老壩抗滑穩(wěn)定性影響不大。

［1］潘家錚.重力壩設計［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［2］中華人民共和國水利部.SL319-2005混凝土重力壩設計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［3］國家電力公司華東勘測設計研究院，水利部，國家電力公司上?？睖y設計研究院.DL5108-1999混凝土重力壩設計規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，1999.

［4］楊清平，李俊杰.重力壩沿建基面抗滑穩(wěn)定的研究［J］.東北水利水電，2011，（10）：43-45.

［5］溫中華，周娟，熊秋曉.重力壩抗滑穩(wěn)定分析［J］.人民黃河，2008，30（12）：112-113.

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