陳云雀，景霞娟，李玉芬，雷文娟

(1.浙江省水利水電技術咨詢中心，浙江 杭州 310020；2.長江職業(yè)學院，湖北 武漢 430074)

1 概述

溢洪道作為水庫防洪設施，在泄洪時起著保護大壩安全的重要作用，一旦失事，后果十分嚴重[1]。比如最近發(fā)生的美國奧羅維爾(Oroville)大壩險情，更讓世人清楚地認識到了溢洪道的重要性，作為美國最高水壩(最大壩高234m)，大壩溢洪道在泄洪時出現(xiàn)了一個長61m、深9m的大洞，大量洪水溢出，近19萬居民被迫緊急大撤離[2-4]，社會影響巨大。對于溢流式面板堆石壩，因其顯著的特點正日益受到國內(nèi)外壩工界的重視[5]，如新疆榆樹溝水庫CFRD工程[6]、浙江麗水大弈坑面板堆石壩[7]、新疆保爾德面板堆石壩[8]、桐柏抽水蓄能電站面板堆石壩[9]等。壩身溢洪道修建在以松散介質(zhì)為材料、人工碾壓填筑的堆石體上，同時又經(jīng)受高速水流作用，如果失事，其后果將比岸邊式溢洪道嚴重得多。

因此，下面以白河溝水利工程為例，利用ADINA有限元軟件對壩身溢洪道的應力變形特點和結構安全性進行研究。

2 工程概況

白河溝水利樞紐[10-11]位于盤縣西部平關鎮(zhèn)，由攔河壩、泄洪建筑物、輸水建筑物等組成。水庫正常蓄水位為1840.00m，正常蓄水位以下庫容為1400萬m3，設計洪水位為1841.09m，相應庫容為1530萬m3，校核洪水位為1842.26m，總庫容為1670萬m3。工程等別為III等，主要建筑物級別為3級。

攔河壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高60.4m(壩頂高程為1844.4m)，壩頂寬8m，壩頂長195m，壩體上下游邊坡均為1∶1.4，下游壩面設置1級馬道。壩頂溢洪道布置于面板堆石壩上，位于壩體左壩段，溢洪道中心線樁號為橫左0+019.500，由溢流堰進口段、泄槽、挑流鼻坎組成。進口段設2孔，每孔凈寬15m，中間設1m中墩。溢流堰采用駝峰堰，堰頂高程為1840m，堰上不設閘門。溢流前沿凈寬30m，全長103.257m。泄槽由3段組成，坡比依次為1∶1.4、1∶4和1∶1.4。挑流鼻坎以下為C15混凝土基礎。溢洪道結構如圖1所示。

圖1 溢洪道結構設計圖(橫左0+019.500)

3 計算模型及參數(shù)

壩身溢洪道結構復雜，加上分縫較多，在進行大壩整體有限元分析時，由于保證壩身溢洪道應力計算精度的建模和網(wǎng)格剖分難度較大，為確保溢洪道處應力變形狀態(tài)真實可靠，本文采用子模型技術來分析壩身溢洪道的應力變形情況。

3.1 計算模型

整體有限元模型范圍為：壩體左右岸分別向外延伸30m，上游面向上游延伸30m，下游面向下游延伸40m，壩底最低點向下延伸40m至1741m高程。模型按照實際體型建模，單元數(shù)共計23959個，如圖2所示。

圖2 整體有限元模型(下游視圖)

壩身溢洪道有限元子模型包括溢流堰進口段、泄槽、挑流鼻坎以及溢流面以下C15混凝土、墊層區(qū)、過渡區(qū)、部分堆石體、部分地基等。子模型單元數(shù)共計23799個，如圖3所示。

圖3 壩身溢洪道子模型

3.2 計算參數(shù)

堆石體、墊層材料采用非線性彈性模型的鄧肯E-B模型[12-14]；而面板和溢洪道材料都是混凝土材料，計算時采用線彈性模型計算；地基材料也采用線彈性模型；溢洪道結構縫采用有厚度接觸單元[15-16]模擬。計算參數(shù)見表1—4。

表1 壩料Ducan E-B模型計算參數(shù)表

表2 地基材料參數(shù)

表3 混凝土材料參數(shù)

表4 有厚度接觸單元計算參數(shù)

4 計算結果分析

本次應用子模型技術進行了壩身溢洪道有限元分析，擬了解泄洪工況下溢洪道應力變形情況、混凝土底板應力變形規(guī)律和溢洪道底板結構縫的變形形態(tài)，同時考慮增大泄水產(chǎn)生的動水壓力(3倍動水壓力工況)，分析擴大動水壓力后對溢洪道的影響。

4.1 溢洪道軸線剖面應力變形

溢洪道鉛直沉降主要集中在堰頂段和泄槽Ⅰ處，軸線剖面位置的最大沉降發(fā)生在堰頂?shù)撞慷咽?基本在5cm左右)，而泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ區(qū)域基本沒有沉降發(fā)生，主要原因為泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ修建在基巖上。當增大溢洪道泄洪產(chǎn)生的動水壓力值時，溢洪道的鉛直沉降及下游向位移極值基本沒有變化，溢洪道泄水產(chǎn)生的動水壓力擴大3倍后，對順河向的位移影響不大。

溢洪道小主應力(拉應力)較小，但在溢洪道堰頂上游側(cè)底板與面板交界處出現(xiàn)了應力集中，泄洪工況為1.53MPa左右的拉應力，在超動水壓力(3倍動水壓力)作用下，應力集中情況有所加劇，但是影響并不顯著，交界處的應力極值為1.55MPa，仍在許可范圍內(nèi)。大主應力(壓應力)極值明顯大于鉛直向應力極值，水庫泄水作用對壓應力增幅明顯，應力極值發(fā)生在泄槽Ⅰ中段底板處，主要原因為泄水作用使泄槽Ⅰ區(qū)中部為增壓區(qū)。當增大溢洪道泄洪產(chǎn)生的動水壓力值時，壓應力極值明顯增大，可見，動水壓力對溢洪道壓應力影響較大。泄水工況及3倍動水壓力工況下溢洪道軸向剖面應力變形極值見表5。

表5 溢洪道軸向剖面應力變形極值表

4.2 溢洪道底板應力變形

與堆石壩整體模型在溢洪道軸線剖面位置的變形相比，整個溢洪道子模型的位移變形都比較小，而溢洪道底板的位移變形更小，為毫米量級。經(jīng)分析，溢洪道底板的位移變形主要為沉降位移和順河向位移，沉降位移基本發(fā)生在堰頂段和泄槽Ⅰ段，泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ段基本為零，這與溢洪道的布置相關；順河向位移基本為下游向位移，自堰頂?shù)教艨惨来螠p小。泄水工況及3倍動水壓力工況下，溢洪道底板位移變形基本相同，僅泄槽Ⅰ段的沉降位移相對于泄水期稍有增大，見表6。由表6可見，增大泄水水壓力對溢洪道位移變形影響不大，不會影響溢洪道正常工作。

表6 溢洪道底板位移變形極值表 單位：mm

溢洪道底板的應力情況與溢洪道子模型的應力量級上相差不是很大，拉應力和壓應力值在堰頂段和泄槽Ⅰ區(qū)域較大，但在泄槽Ⅱ區(qū)和泄槽Ⅲ區(qū)數(shù)值很小。增大泄洪動水壓力對底板拉應力的增大基本沒有影響，但會增大底板的壓應力值，本文采用3倍動水壓力，壓應力值增大不是很明顯，見表7?？梢?，在3倍動水壓力作用下不會對溢洪道造成強度破壞。

表7 溢洪道底板應力極值表 單位：MPa

4.3 溢洪道結構縫變形

本次分析的溢洪道結構復雜，結構縫的設置較多，有Ⅰ類橫縫、Ⅰ類縱縫、Ⅱ類橫縫和Ⅱ類縱縫，如圖4所示。整個面板堆石壩最大壩高為60.4m，屬于中低壩，而溢洪道修建在壩體左岸堆石體和下游地基上，變形量很小。同時，溢洪道底板下有C15混凝土或地基，且底板重力較小，另外，本次計算中未考慮堆石體后期沉降和流變等因素影響，此溢洪道的結構縫變形很小。

圖4 壩身溢洪道分縫示意圖

4.4 溢洪道底板的抗滑穩(wěn)定性

通過溢洪道底板的應力變形分析可知，泄水過程中，溢洪道底板應力變形主要發(fā)生在溢洪道堰頂段和泄槽Ⅰ區(qū)域，泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ區(qū)域的應力變形量都很小，且后兩個區(qū)域的泄槽底板坡度較小且都修建在基巖上，底板的穩(wěn)定性有保證。泄槽Ⅰ段的底板坡度為1∶1.4，坡度較大，且修建在人工碾壓堆石上，其穩(wěn)定性有待考究。而堰頂段布置在壩頂，為弧形結構，從結構上看一般不會發(fā)生滑動?？梢姡缀訙弦绾榈赖装宓姆€(wěn)定性主要取決于泄槽Ⅰ段底板的穩(wěn)定性。

經(jīng)抗剪斷摩擦公式計算，在未考慮鋼筋的錨固力時，泄槽Ⅰ段底板抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1，不能滿足溢洪道的抗滑穩(wěn)定要求。泄槽Ⅰ段的底板坡度較陡，矩形底板不易穩(wěn)定，在實際施工中要采用加固措施，如設置混凝土錨梁等，以確保溢洪道的正常運行。

5 結語

溢流式面板堆石壩的溢洪道應力變形及結構穩(wěn)定性十分重要，能否較好的解決這個問題直接影響著大壩的安全運行。本文以白河溝工程為例，分析了溢洪道軸線剖面、底板、結構縫的應力變形情況以及溢洪道底板的抗滑穩(wěn)定性。經(jīng)分析可知，泄水產(chǎn)生的動水壓力會對壩身溢洪道的沉降位移和主壓應力帶來一定影響，對順河向位移和主拉應力影響不顯著；面板堆石壩壩身溢洪道會在上游底板與面板的交界處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為拉應力，在設計時應予重視；為確保壩身溢洪道底板的抗滑穩(wěn)定性，施工過程中要注意混凝土錨固鋼筋等加固措施的設置。