王亞洲，羅　偉，漆文邦

(四川大學(xué),成都　610065)

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波羅水電站提高正常蓄水位后的安全分析

王亞洲，羅偉，漆文邦

(四川大學(xué),成都610065)

波羅電站水庫安全運(yùn)行已達(dá)14 a，為了充分利用水資源，增加經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)擬提高正常蓄水位0.5 m，提高蓄水位后閘壩能否保持安全穩(wěn)定尚需論證。以此為背景，建立了波羅水電站閘壩各壩段三維有限元模型，計(jì)算分析了閘壩各壩段變形、應(yīng)力、基底應(yīng)力以及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，通過水力計(jì)算對壩頂高程進(jìn)行了校核，并論證了新的水庫運(yùn)行方式。研究表明，提高水庫正常蓄水位后對閘室位移和應(yīng)力影響微弱，仍能保證水庫安全運(yùn)行。

閘壩；有限元分析；正常蓄水位；變形；應(yīng)力；水庫運(yùn)行方式

0　前　言

中國水資源緊張，且分布不均。水資源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)不可缺少的重要自然資源。優(yōu)化水資源配置、提高水資源利用效率是實(shí)現(xiàn)水資源合理開發(fā)利用的基礎(chǔ)，是水資源可持續(xù)利用的根本保證[1-2]。

安全是工程設(shè)計(jì)中首要考慮的因素，但如果保守得過于追求安全就會造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。以往的一些工程存在這樣的現(xiàn)象，這也為利用多余的安全儲備，提高利用效率提供了可能，但需要做充分的論證[3]。

通常情況下水庫按照設(shè)計(jì)修建完成之后，必須按照規(guī)定的運(yùn)行方式運(yùn)行，貿(mào)然提高水庫蓄水位，很可能會對水庫的安全造成巨大的影響。其主要表現(xiàn)在：

(1) 壩體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的受力會發(fā)生改變，大壩的穩(wěn)定性、壩體及地基的應(yīng)力和變形都會受到影響。

(2) 水庫淹沒增加，淹沒損失及影響應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形條件重新確定。大壩安全超高是否滿足規(guī)范要求也應(yīng)需要計(jì)算論證。

(3) 庫岸邊坡、金屬結(jié)構(gòu)以及消能設(shè)施的受力環(huán)境均會在一定程度上發(fā)生改變，可能會引發(fā)安全問題。

因此，水庫提高正常蓄水位之后，必須對大壩安全、水庫運(yùn)行方式、庫岸邊坡穩(wěn)定、水庫淹沒和大壩安全超高等問題進(jìn)行專題論證。下面以波羅水電站為例重點(diǎn)對提高正常蓄水位后波羅水電站閘壩的安全性、大壩安全超高以及新的水庫運(yùn)行方式進(jìn)行簡要分析。

1　工程概況

波羅水電站位于四川省馬邊彝族自治縣境內(nèi)，是馬邊河上游主流挖黑河上的1座以發(fā)電為單一目標(biāo)、具有日調(diào)節(jié)水庫的高水頭引水式電站。波羅水電站總裝機(jī)52 MW，設(shè)計(jì)水頭233.00 m，最大水頭272.00 m，最小水頭233.00 m，加權(quán)平均水頭258.00 m，最大引用流量24 m3/s，保證出力11.57 MW，年利用小時數(shù)5 110 h，年發(fā)電量2.45億kWh。電站水庫正常蓄水位1 090.00 m，設(shè)計(jì)洪水位1 084.60 m，校核洪水位1 088.85 m，電站正常蓄水位以下庫容26萬m3，調(diào)節(jié)庫容21.2萬m3。

工程區(qū)地處川滇南北構(gòu)造帶與四川盆地邊緣北東方向構(gòu)造帶交接復(fù)合部位，主要斷層構(gòu)造均位于工程區(qū)外圍。閘址區(qū)河流大致由西向東流，河谷兩岸為不對稱的“V”形，左岸地形陡峻，基巖裸露，坡度55°～70°，右岸地形緩，為基座階地，階地前緣坡高10.0 m，階地后緣坡度30°～40°，為坡積物覆蓋。閘址區(qū)河床寬20.0～30.0 m，水流湍急。閘址區(qū)構(gòu)造成壓扭性，層間錯動，次級褶曲和小斷層發(fā)育。

本工程屬Ⅳ等工程，永久建筑物按4級設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級設(shè)計(jì)。相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)，首部樞紐永久性建筑物按50年一遇洪水設(shè)計(jì)、200年一遇洪水校核；廠區(qū)樞紐永久建筑物按30年一遇洪水設(shè)計(jì)、按100年一遇洪水校核。波羅水電站大壩為閘壩式結(jié)構(gòu)，閘壩長129.6 m，最大閘高31 m。電站首部樞紐從左至右依次布置有左岸錨索邊坡、進(jìn)水閘(側(cè)向布置在左岸)、泄洪閘(1、2、3號閘)、表孔閘(4號閘)、右岸擋水壩段及右岸護(hù)岸工程。

2　閘壩安全分析

2.1有限元模型

有限單元法是處理力學(xué)問題的一種數(shù)值方法，其實(shí)質(zhì)是將復(fù)雜的連續(xù)體離散為有限多個簡單的單元體，劃無限自由度問題為有限自由度問題，將連續(xù)場函數(shù)的偏微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化成有限個參數(shù)的代數(shù)方程組求解問題。有限元可以用來求解線性靜力學(xué)、非線性和動力問題[4-5]。用有限單元法計(jì)算水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力，充分考慮了結(jié)構(gòu)和地基的整體，能計(jì)算復(fù)雜的邊界條件和荷載情況下，閘體與地基的接觸區(qū)以及地基的復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)等問題[6]。

依托四川馬邊縣波羅水電站，利用ANSYS三維有限元計(jì)算分析軟件，結(jié)合工程實(shí)際情況，建立各壩段三維有限元模型，研究波羅閘壩變形與應(yīng)力。根據(jù)波羅水電站工程實(shí)際情況，采用非線性Drucker-Prager(D-P)本構(gòu)模型[7-8]，建模時分別向閘基深度方向延伸3倍閘高，閘基上下游延伸2倍閘高，左右延伸2倍閘寬，充分考慮地基對波羅閘壩變形和應(yīng)力分布特性的作用和影響。充分模擬各壩段的受力情況，并合理分析其約束條件，使數(shù)值模擬更加趨于真實(shí)可靠。分別對泄洪閘、表孔閘和右岸擋水壩段進(jìn)行三維有限元模擬計(jì)算，壩體與基礎(chǔ)網(wǎng)格采用8節(jié)點(diǎn)六面體SOLID45單元。

模型采用計(jì)算坐標(biāo)系如下：

X軸，順?biāo)鞣较颍蛑赶蛳掠危?/p>

Y軸，鉛垂方向，正向鉛垂向上；

Z軸，垂直于水流方向，正向指向右岸。

模型范圍：泄洪閘壩段由3個閘室組成，其中靠近右岸的2個閘室連為一體，與靠近左岸的閘室用沉降縫分離。泄洪閘三維計(jì)算模型僅選取連為一體的2個閘室。模型邊界基礎(chǔ)四周和底面采用法向約束，結(jié)構(gòu)頂部及四周采用自由邊界。

根據(jù)SL263-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合實(shí)際情況，計(jì)算主要考慮的荷載如下：

(1) 結(jié)構(gòu)及永久設(shè)備的自重；

(2) 相應(yīng)于計(jì)算水位情況時水位以下底板上的水重；

(3) 相應(yīng)于計(jì)算水位情況時的靜水壓力；

(4) 相應(yīng)于計(jì)算水位情況時的揚(yáng)壓力。

選取的計(jì)算工況如下：

(1) 正常蓄水位工況，上游1 090.50 m，下游無水；

(2) 原正常蓄水位工況，上游水位1 090.00 m，下游無水；

(3) 校核洪水位工況，上游水位1 088.85 m，下游水位1 073.8 m；

(4) 設(shè)計(jì)洪水位工況，上游水位1 084.60 m，下游水位1 072.2 m。

2.1.1變形分析

由于泄洪閘和表孔閘結(jié)構(gòu)上對稱，右岸擋水壩除壩頂?shù)膬﹂T槽布置靠右側(cè)以外，總體可近似看為對稱布置，故建立的計(jì)算模型是對稱的。閘壩各壩段在Z軸向受力較小，可忽略不計(jì)。因此，位移計(jì)算結(jié)果僅提取X軸與Y軸方向上的位移。

經(jīng)計(jì)算可知，總體上，泄洪閘、表孔閘以及右岸擋水壩在正常蓄水位、原正常蓄水位、校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位這4種工況下位移均較小，各壩段位移值均滿足規(guī)范要求。對比分析正常蓄水位和原正常蓄水位工況下各壩段位移計(jì)算結(jié)果可知，正常蓄水位提高0.5 m之后，泄洪閘、表孔閘、右岸擋水壩順河向位移最大值分別增加0.08 mm(4.2%)、0.05 mm(4.1%)、0.09 mm(18.8%)；豎向位移最大值分別增加0.02 mm(0.5%)、0.01 mm(0.3%)、-0.01 mm(-0.6%)。閘壩各壩段位移增加值和增加率均很小，幾乎可忽略不計(jì)。正常蓄水位提高0.5 m后，泄洪閘閘室胸墻受力狀態(tài)不發(fā)生改變，僅受力大小發(fā)生改變，胸墻順河向位移最大值增加0.08 mm(4.2%)；豎直向位移增加0.02 mm(0.5%)，總體較小，因此對閘室胸墻位移幾乎沒有影響。

2.1.2應(yīng)力分析

泄洪閘、表孔閘和右岸擋水壩在4種工況下，大、小主應(yīng)力經(jīng)計(jì)算結(jié)果可知：總體上，泄洪閘、表孔閘和右岸擋水壩在各工況下拉、壓應(yīng)力均較小。對比正常蓄水位工況與原正常蓄水位工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知：泄洪閘、表孔閘、右岸擋水壩最大壓應(yīng)力分別增加0.02 MPa(0.8%)、0.03 MPa(1.2%)、0.04 MPa(3.0%)；最大拉應(yīng)力分別增加0.05 MPa(3.4%)、0.01 MPa(1.0%)、0.01 MPa(2.0%)。對應(yīng)壩段應(yīng)力增加值和增加幅度均較小，壩體應(yīng)力狀態(tài)是安全的。正常蓄水位提高0.5 m之后，泄洪閘閘室胸墻受力增加，與原正常蓄水位工況相比，胸墻拉應(yīng)力最大值增加0.06 MPa(6.5%)；壓應(yīng)力最大值增加0.08 MPa(4.1%)，總體上較小，對閘室胸墻應(yīng)力影響較小。

2.2地基承載能力分析

波羅水電站閘壩基礎(chǔ)主要由砂巖組成，夾雜少量泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r，基礎(chǔ)巖體相對較完整。根據(jù)壩址區(qū)巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值，地基巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度最低的為砂質(zhì)泥巖，為5～8 MPa[9]。計(jì)算可知波羅水電站閘壩地基巖體的允許承載力超過1 MPa。

各工況下，各壩段基底應(yīng)力均為壓應(yīng)力，正常蓄水位和原正常蓄水位工況下，各壩段最大基底應(yīng)力幾乎相等，可見，波羅水庫正常蓄水位提高0.5 m后，幾乎沒有影響；而在4種工況下最大基底應(yīng)力為0.63 MPa，小于地基允許承載力，滿足規(guī)范要求，所以閘基是安全的。

2.3抗滑穩(wěn)定分析

有限元方法計(jì)算閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可采用應(yīng)力代數(shù)和比值法?？筛鶕?jù)式(1)求得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

(1)

式中：fi為摩擦系數(shù)；ci為凝聚力；σni為單元在滑動面上的正應(yīng)力；τni為單元在滑動面上的切應(yīng)力；Ai為單元在滑動面上的面積。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，巖基上沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可采用抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算?？够€(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范要求：基本組合≥1.05；特殊組合≥1.00[10-11]。

有限元計(jì)算結(jié)果表明，在各工況下，波羅水電站閘壩各壩段的抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，閘壩是穩(wěn)定的。各壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨上游水位的增加而降低，整個閘壩在最高運(yùn)行水位1 090.50 m工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小。采用規(guī)范推薦的抗剪強(qiáng)度公式對閘壩抗滑穩(wěn)定進(jìn)行核算，泄洪閘、表孔閘以及右岸擋水壩在正常蓄水位和原正常蓄水位工況下安全系數(shù)也均滿足規(guī)范要求，提高正常蓄水位后，閘壩亦是穩(wěn)定的。

3　大壩安全超高分析

波羅水電站原正常蓄水位為1 090.00 m，現(xiàn)提高至1 090.50 m，壩頂高程比現(xiàn)正常蓄水位高1.0 m。波羅電站庫區(qū)多年平均最大風(fēng)速為17.3 m/s；水庫平均吹程為0.58 km；閘前水深20 m。

根據(jù)規(guī)范，閘(壩)頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位(或最高擋水位)加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高值之和；波羅水電站閘壩最高擋水位時要求的安全超高下限值為0.3 m。

波浪計(jì)算高度由波浪爬高R和風(fēng)壅水面高度e構(gòu)成。波浪幾何要素可采用官廳水庫公式計(jì)算，經(jīng)計(jì)算得：R=0.612 m；e=0.001 m，波浪計(jì)算高度為0.613 m，此時閘(壩)安全超高為0.387 m，大于要求的安全超高下限值0.3 m[12]。因此，波羅電站水庫正常蓄水位提高后，壩頂高程仍滿足規(guī)范要求。

4　水庫運(yùn)行方式分析

波羅水電站以發(fā)電為主，在保證電站大壩防洪安全的前提下，水庫運(yùn)行方式應(yīng)該以最大限度利用水資源為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量減少棄水，增加發(fā)電量，從而創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益[13]。目前的水文水情預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)手段和分析能力已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，完全可以在留有一定余地的前提下減少棄水做到防患于未然。一刀切的調(diào)度方式既不科學(xué)，也不合理；從另外一方面講，洪水是一種小概率事件，應(yīng)積極探索風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度先進(jìn)方式[14-16]。根據(jù)多年統(tǒng)計(jì)，水電站枯水期和汛期閘前來水流量差異較大，因此分別對波羅水電站枯水期和汛期來水分析，確定其安全經(jīng)濟(jì)合理的水庫運(yùn)行方式。

枯水期為每年11、12、1、2、3和4月，期間來水流量較小，多小于電站引用流量，根據(jù)波羅水電站初設(shè)報(bào)告中波羅壩址歷年平均流量計(jì)算成果以及電站運(yùn)行期間壩址實(shí)測流量資料，枯水期壩址月平均流量為4～12 m3/s之間，期間出現(xiàn)的最大流量為104.5 m3/s，于2000年4月2日。表孔閘全開時，最大下泄流量為171.17 m3/s，可知枯水期僅通過調(diào)節(jié)表孔閘閘門即可保證水庫安全運(yùn)行。因此枯水期要求泄洪閘和表孔閘均關(guān)閉，維持水位于1 090.50 m運(yùn)行。當(dāng)來水流量大于電站引用流量時，水庫水位呈上漲趨勢，此時可開啟表孔閘閘門下泄多余流量。若遇到突發(fā)洪水，可開啟泄洪閘宣泄洪水。

汛期為每年5、6、7、8、9和10月。由于汛期閘前來水流量數(shù)值范圍較大且為連續(xù)變化量，因此，可將來水流量合理劃分，以區(qū)間表示，針對不同流量區(qū)間，制定不同的閘門開啟方式。為保證大壩的安全，當(dāng)預(yù)報(bào)來水流量達(dá)到250 m3/s時，認(rèn)為洪水即將來臨，河床流量將繼續(xù)上漲，此時要求在洪水到達(dá)水庫之前將水庫水位降至汛期限制水位。根據(jù)預(yù)報(bào)流量擬定6種水庫運(yùn)行工況，見表1。

就波羅水電站而言，最危險(xiǎn)的情況為預(yù)測流量從工況1對應(yīng)的流量區(qū)間持續(xù)并急增進(jìn)入工況6對應(yīng)的流量區(qū)間，并繼續(xù)增加至設(shè)計(jì)洪水流量或校核洪水流量，若此情況下，水庫運(yùn)行方式能保證大壩安全，則其它所述工況下閘壩也是安全的。最不利情況時，水庫運(yùn)行方式安全分析如下：

表1　汛期水庫運(yùn)行工況表

(1) 工況1

假定初始來水流量為20 m3/s，水庫初始水位為1 090.50 m，且閘門均關(guān)閉。流量以最大增加速度28.6 m3/(s·min)勻速增加，水流速度取為6 m/s，水從上游河道流到波羅水庫所需時間為12.5 min。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，弧形閘門和平板閘門均采用勻速開啟方式，閘門開度從0變?yōu)? m均需時5 min。

(2) 工況2

當(dāng)預(yù)報(bào)流量增加進(jìn)入流量區(qū)間20～50 m3/s時，從最小值增至最大值需要時間為1.05 min(30/28.6=1.05 min)。表孔閘門由開度為0變?yōu)?.6 m，開啟表孔閘門所需時間為0.375 min。水庫水位將由1 090.50 m逐漸降至1 090.00 m。

(3) 工況3

當(dāng)預(yù)報(bào)流量繼續(xù)增加進(jìn)入50～100 m3/s時，流量從最小值增至最大值需要1.75 min。當(dāng)流量剛到達(dá)50 m3/s時，開啟泄洪閘中孔閘門至開度為0.2 m，然后，繼續(xù)開啟表孔閘門從開度為0.6 m至2 m，將閘門開啟至規(guī)定開度所需時間為1 min。水庫水位將由1 090.00 m逐漸降至1 088.00 m。

(4) 工況4

當(dāng)預(yù)報(bào)流量繼續(xù)增加進(jìn)入流量區(qū)間100～140 m3/s時，流量從最小值增加至最大值需要1.40 min。當(dāng)流量剛到達(dá)100 m3/s時，繼續(xù)開啟泄洪閘中孔閘門至0.9 m，并保持表孔閘門開度為2 m，將閘門開啟至規(guī)定開度所需時間為0.438 min。水庫水位將由1 088.00 m逐漸降至1 087.00 m。

(5) 工況5

當(dāng)預(yù)報(bào)流量繼續(xù)增加進(jìn)入流量區(qū)間140～250 m3/s時，流量從最小值增加至最大值需要3.85 min。流量剛到達(dá)140 m3/s時，繼續(xù)開啟泄洪閘中孔閘門至1.4 m，接著同時開啟左、右泄洪閘開度至0.6 m，最后關(guān)閉表孔閘門。將閘門開啟至規(guī)定開度所需時間為1.94 min。水庫水位將由1 087.00 m逐漸降至1 086.00 m。

(6) 工況6

當(dāng)預(yù)報(bào)流量繼續(xù)增加至大于250 m3/s，同時開啟左、右泄洪閘閘門至開度為1 m，水庫水位將逐漸降至汛期限制水位1 085.00 m。此后，水庫運(yùn)行方式與原運(yùn)行方式相同，可保證水庫安全運(yùn)行。

5　結(jié)　語

四川馬邊縣波羅水電站擬提高水庫正常蓄水位0.5 m，基于這一現(xiàn)狀，結(jié)合工程實(shí)際情況，通過三維有限元模型計(jì)算，泄洪閘、表孔閘和右岸擋水壩在4種工況下位移、應(yīng)力、地基承載力、抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，提高正常蓄水位0.5 m后閘壩是穩(wěn)定的；新的水庫運(yùn)行方式分枯水期和汛期分別設(shè)計(jì)，枯水期，維持水庫在正常蓄水位運(yùn)行；汛期，在保證運(yùn)行安全的前提下，根據(jù)水庫來水流量設(shè)計(jì)不同的運(yùn)行方式，盡量保證水庫高水位運(yùn)行。經(jīng)過水力計(jì)算，提高正常蓄水位0.5 m后，波羅水電站壩(閘)頂高程仍滿足規(guī)范要求。

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Analysis on Safety of Poluo Hydropower Station after Increase of Normal Storage Level

WANG Yazhou, LUO Wei, QI Wenbang

(Sichuan University, Chengdu610065,China)

Poluo Hydropower Station has been operating for 14 years. To utilize fully water resources and improve economic benefit, the normal storage level is proposed to increase by 0.5 m. Whether the gate dam can remain safety and stability after the increase of the normal storage level needs to be demonstrated. Therefore, 3D finite element models for dam sections of the gate dam are established. Deformation, stress, base stress and safety factor of stability against sliding of each dam section are calculated and analyzed. The dam crest elevation is checked through hydraulic calculation and the new reservoir operating mode is argued. The study shows that impact on the gate chamber displacement and stress is very slight after the normal storage level is increased as well as the safety operation of the reservoir still can be secured.Key words:gate dam; finite element analysis; normal storage level; deformation; stress; reservoir operation mode

1006—2610(2016)04—0030—05

2016-03-31

王亞洲(1992- )，男，河南省虞城縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗姽こ坦芾?

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10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.008