李根

（九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西九江332000）

0 引言

遼寧省渾江支流的涼水沖水庫(kù)是以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、供水養(yǎng)殖等綜合利用效益的中型水利工程，建筑物主要包括大壩、溢洪道、輸水發(fā)電涵管和壩后式電站廠房等。水庫(kù)總庫(kù)容1.221×107m3，水庫(kù)灌溉面積2186.67hm2，電站裝機(jī)容量320kW。依據(jù)SL252-2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[1]和GB50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[2]，水庫(kù)工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物等級(jí)為3級(jí)，次要建筑物等級(jí)為4級(jí)。

大壩的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)：正常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期為100年，非常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期為1000年。水庫(kù)大壩屬于碾壓式堆石壩，壩頂高程為184.0m，最大壩高42.0m，壩頂寬8.0m，壩頂軸線長(zhǎng)173m，上游坡比為1.0∶2.0，1.0∶2.2，1.0∶2.5，下游坡比為1.0∶2.0，1.0∶2.4，1.0∶2.9，1.0∶2.7（棱體）。大壩的各區(qū)填筑材料如下：Ⅰ區(qū)的填筑材料主要是由砂質(zhì)頁(yè)巖碎塊等組成；Ⅱ區(qū)材料是砂礫土，該防滲殼對(duì)減少大壩滲漏量起了一些作用；Ⅲ區(qū)的填筑材料主要是礫質(zhì)粉質(zhì)粘土和礫質(zhì)粘土，另外有一部分是礫質(zhì)重粉質(zhì)壤土或礫質(zhì)壤土等；Ⅳ區(qū)主要是塊石堆積，為排水凌體部分；V區(qū)是基巖，主要巖層是砂質(zhì)頁(yè)巖和粘土質(zhì)頁(yè)巖。

1 有限元模型建立

1.1 計(jì)算參數(shù)

此文主要目的是研究壩體與壩基的彈性模量在不同比值的情況下對(duì)壩體應(yīng)力應(yīng)變的影響，從而尋求合適的填筑材料。此工程所在的壩基基巖彈性模量Ej為12GPa，設(shè)置初始的壩體填筑材料彈性模量Et為1GPa，即彈模比βE=Et/Ej=0.083，逐漸增大壩體填筑材料的彈性模量，對(duì)不同彈模比下的壩體應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行敏感性分析，尋求最優(yōu)的壩體填筑材料彈性模量。具體的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

1.2 模型建立

首先對(duì)大壩的典型斷面進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)填充材料進(jìn)行分區(qū)，用MidasGTSNX軟件進(jìn)行建模和分析。此次采用二維模型進(jìn)行模擬，壩基左右各延伸30m，壩基向下延伸20m作為模型的計(jì)算邊界，采用四邊形網(wǎng)格對(duì)模型實(shí)體單元進(jìn)行劃分，模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為8894個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)為8752個(gè)。大壩材料分區(qū)及模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 壩體典型斷面模型

2 敏感性分析

2.1 壩體應(yīng)變敏感性分析

在水庫(kù)正常運(yùn)行期間，作用在壩體上的荷載主要有水壓力和泥沙壓力[3,4]，同一高度處，壩體上游面的水平位移及豎向位移均小于下游壩面，因此以壩體下游面為研究對(duì)象，分析不同彈模比的壩體應(yīng)變規(guī)律。從圖2可知，隨著彈模比增大，壩體下游壩面沿水平方向的位移逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，當(dāng)彈模比大于2.4時(shí)，壩體下游面水平方向位移為定值，隨著彈模比增大，壩體下游壩面豎向位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定（位移為負(fù)值表示沉降），當(dāng)彈模比大于2.4時(shí)，壩體下游面沉降為定值。根據(jù)上述規(guī)律，在進(jìn)行壩體填筑時(shí)，增大壩體材料的彈模，能有效減小壩體的水平和豎向位移，但若壩體填筑材料彈模過(guò)大并無(wú)意義，而且會(huì)使大壩修筑造價(jià)和施工難度增加，將彈模比控制在2.4左右效果最佳。

圖2 壩體應(yīng)變敏感性分析

2.2 壩體主應(yīng)力敏感性分析

由于此工程的IV區(qū)的排水棱體部分是施工質(zhì)量重點(diǎn)把控區(qū)域，所以對(duì)排水棱體部分的主應(yīng)力進(jìn)行敏感性分析。從圖3可知，隨著彈模比增大，排水棱體區(qū)域第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力均先急劇減小后趨于平穩(wěn)，當(dāng)彈模比小于1時(shí)，第一主應(yīng)力減小幅度為42.9%，當(dāng)彈模比小于0.7時(shí)，第三主應(yīng)力減小幅度為50%。排水棱體區(qū)域應(yīng)力不宜過(guò)大，應(yīng)力過(guò)大使得填筑材料擠密破壞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，壩體內(nèi)部孔隙水壓力得不到有效釋放，對(duì)壩體造成較大危害，建議適當(dāng)提高壩體填筑材料的彈性模量[5-7]。

圖3 壩體主應(yīng)力敏感性分析

2.3 壩體豎直正應(yīng)力敏感性分析

分別對(duì)壩體上下游壩面同一高程處的豎直應(yīng)力進(jìn)行敏感性分析，從圖4可知，隨著彈模比增大，上游壩面壓應(yīng)力（壓應(yīng)力為負(fù)值）呈先增大后減小的趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定；下游壩面應(yīng)力大于上游壩面，且隨著彈模比的增大，下游壩面應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，且減小幅度也逐漸減小并有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。建議在對(duì)壩體進(jìn)行填筑時(shí)，控制彈模比處于2～3之間為最優(yōu)，此時(shí)上下游壩面應(yīng)力均處于較小水平，但不宜使彈模比過(guò)大，這樣會(huì)增加建造成本，且對(duì)壩體應(yīng)力優(yōu)化效果不明顯。

圖4 壩體豎直正應(yīng)力敏感性分析

3 結(jié)語(yǔ)

1）壩體下游面水平和豎直方向位移均隨彈模比的增大逐漸減小，但最終趨于穩(wěn)定，且當(dāng)彈模比大于2.4時(shí)，壩體下游面水平和豎直方向位移為定值。

2）當(dāng)彈模比小于1時(shí)，增大彈模比能有效減小壩體應(yīng)力，但當(dāng)彈模比大于1時(shí)，增大彈模比對(duì)壩體應(yīng)力的減小效果并不明顯。

3）隨著彈模比增大，下游壩面應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，且趨于穩(wěn)定；上游壩面應(yīng)力受彈模比變化較小。

4）綜合考慮壩體應(yīng)力應(yīng)變隨彈模比變化規(guī)律可知：令壩體材料彈模比過(guò)大對(duì)壩體應(yīng)力應(yīng)變優(yōu)化效果并不明顯，建議將壩體材料彈模比控制在2～3之間較為合理。