陳渴鑫，盧曉春，陳博夫，熊勃勃，陳玉璽

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

1 工程概況

某壩址為不對稱的極狹窄“V”形河谷，兩岸巖石裸露，巖性堅(jiān)硬；河床寬約2.4 m，壩頂高程655.50 m處河谷寬約45 m；左岸較陡，644.00 m高程左右以下邊坡坡比1∶0.11左右，以上邊坡坡比1∶0.4 左右，上下邊坡突變較大，685.00 m高程以上邊坡則很平緩；右岸也較陡，658.00 m高程以下邊坡坡比1∶0.32左右，以上邊坡坡比1∶0.98左右，上下邊坡突變較大；壩頂寬高比0.46∶1。但由于拱壩地形條件的限制，對于無法成拱的部分，工程中通常采用設(shè)置基礎(chǔ)墊座的方式來提高拱壩的穩(wěn)定性，因此，該工程底部修建基礎(chǔ)墊座來改善地形的缺點(diǎn)。

對于拱壩修建基礎(chǔ)墊座有很多先例可以借鑒，如白鶴灘拱壩為適應(yīng)左岸不利地質(zhì)條件而修建墊座[1]；蓋下壩水電站壩址處河谷為狹窄的V形河谷，為此在壩基處設(shè)置墊座[2]；李家峽拱壩河床部位存在對壩體應(yīng)力不利的斷層，因此在河床軟弱區(qū)上設(shè)置墊座[3]；錦屏一級拱壩壩址處河道順直而狹窄，為典型的深切V形峽谷，并且左岸存在斷層及層間擠壓帶，故在左岸壩肩修建墊座[4]。但是由于地形條件不同的影響，墊座對拱壩的應(yīng)力及穩(wěn)定性影響存在較大差異[5- 6]，故需考慮墊座設(shè)置的合理性。

國內(nèi)外對拱壩基礎(chǔ)墊座參數(shù)的研究較少，一些早期的研究主要集中在對墊座拱壩的靜動(dòng)力應(yīng)力分析；后來對墊座的穩(wěn)定性研究較多，如：潘元煒通過分析白鶴灘墊座對壩體的影響及墊座自身的穩(wěn)定性后找到了最優(yōu)的墊座設(shè)計(jì)方案[7]；馮繼軍通過分析墊座穩(wěn)定及應(yīng)力后對蓋下壩拱壩墊座進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]；張肖對錦屏大墊座進(jìn)行了穩(wěn)定性分析[9]，但對墊座的材料、體形的研究甚少，因此，本文以拉應(yīng)力、壓應(yīng)力為判斷依據(jù)對墊座進(jìn)行優(yōu)化，通過對比分析找出最優(yōu)方案。

2 優(yōu)化參數(shù)及方案

圖1 墊座參數(shù)示意(高程：m)

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了具體分析不同墊座參數(shù)對壩體和墊座自身的應(yīng)力影響，計(jì)算3種方案的最大應(yīng)力值及其發(fā)生位置，如表1所示。由表1可以看出，最大拉應(yīng)力一般發(fā)生在上游面，最大壓應(yīng)力一般發(fā)生在下游面，最大值基本都發(fā)生在壩肩、壩踵、壩趾及墊座底面處，因此選取左壩肩、右壩肩、壩踵、壩趾及墊座底面特征點(diǎn)進(jìn)行分析。

表1 壩體及墊座應(yīng)力特征值

3.1 K1敏感性分析

墊座的彈性模量對壩體應(yīng)力的影響見圖2。

圖2 墊座的彈性模量對壩體應(yīng)力的影響

由圖2可知：增加墊座區(qū)域的彈性模量有利于降低壩體的拉應(yīng)力，增加壩體的壓應(yīng)力；墊座彈性模量的提高對壩肩及壩踵處的拉應(yīng)力改善較為明顯，對墊座底面的拉應(yīng)力影響不大。

增加墊座的彈性模量，壩肩部位的拉應(yīng)力顯著降低，這是由于墊座彈性模量的提高減小了墊座自身的沉降量，從而降低了壩肩部位的豎向應(yīng)變，故壩肩部位的拉應(yīng)力降低，壓應(yīng)力增加。

3.2 K2敏感性分析

墊座的高度對壩體應(yīng)力的影響見圖3。

圖3 墊座的高度對壩體應(yīng)力的影響

由圖3可知：K2為0.3時(shí)拉應(yīng)力最小，壓應(yīng)力最大，這種情況對壩體及墊座自身的應(yīng)力最為有利；當(dāng)K2<0.3時(shí)，隨著墊座高度的增加特征點(diǎn)的拉應(yīng)力降低，壓應(yīng)力增加；當(dāng)K2>0.3時(shí)，隨著墊座高度的增加特征點(diǎn)的拉應(yīng)力增加，壓應(yīng)力降低。

墊座高度較低時(shí)，對壩體的應(yīng)力是不利的，這是由于河谷下部較為狹窄，壩體底部無法成拱，壩體所受的水推力無法傳到兩岸，破壞了拱壩的整體結(jié)構(gòu)；隨著墊座高度的增加，逐漸恢復(fù)拱壩的整體性，因此壩體及墊座自身的拉應(yīng)力在逐漸地降低，壓應(yīng)力增加；當(dāng)壩體的整體性完全恢復(fù)時(shí)，壩體及墊座自身的拉應(yīng)力最小，壓應(yīng)力最大，隨后再增加墊座的高度就會(huì)使得拉應(yīng)力增加，壓應(yīng)力降低。

3.3 K3敏感性分析

墊座的厚度對壩體應(yīng)力的影響見圖4。

圖4 墊座的厚度對壩體應(yīng)力的影響

由圖4可知：從整體上看，當(dāng)K3=1和K3=2時(shí)，壩踵的拉應(yīng)力值較大，壩趾的壓應(yīng)力值相對較小；左壩肩的應(yīng)力值變化幅度較小；當(dāng)K3=1.5時(shí)特征點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果較好。

當(dāng)墊座的厚度與壩體底部厚度一致時(shí)，墊座無法較好地抵消壩踵的拉應(yīng)力，因此壩踵的拉應(yīng)力較大；墊座厚度的變化不會(huì)影響壩肩的受力情況，因此對壩肩的應(yīng)力結(jié)果幾乎沒有影響。

3.4 推薦方案

對比以上3種敏感性分析可知，在一定范圍內(nèi)墊座彈性模量越大、墊座高度與壩體總高度之比在0.25～0.35范圍內(nèi)、墊座厚度與壩體底部厚度之比在1.4～1.6范圍內(nèi)時(shí)，對壩體及墊座自身的應(yīng)力最有利。出于對工程安全性、經(jīng)濟(jì)性的雙重考慮，推薦方案為：一般情況下，K1取2.5，K2取0.3，K3取1.5。

4 結(jié) 論

通過ABAQUS軟件對墊座設(shè)置不同材料參數(shù)以及建立不同的三維數(shù)值模型，并對壩體及墊座做應(yīng)力分析，得到以下結(jié)論：

(1) 拱壩修建基礎(chǔ)墊座時(shí)，應(yīng)合理選擇墊座參數(shù)，本文中選取分析的彈性模量、高度及厚度3種參數(shù)具有合理性。

(2) 通過計(jì)算得到的規(guī)律為，在一定范圍內(nèi)，隨著墊座與壩體彈性模量的增大，壩體及墊座自身的應(yīng)力逐漸降低；隨著墊座與壩體總高度之比的增大，壩體及墊座自身的應(yīng)力先降低，當(dāng)高度比值達(dá)到0.3時(shí)，壩體及墊座自身的應(yīng)力值逐漸增大；隨著墊座與壩體底部厚度之比地增大，壩體及墊座自身的應(yīng)力先降低，當(dāng)厚度比達(dá)到1.5后，壩體及墊座自身的應(yīng)力值再次逐漸增大。