馮天駿，陳 陽

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

重力壩是一種古老而迄今應用仍很廣泛的壩型，因主要依靠自重維持穩(wěn)定而得名。按照重力壩頂部是否泄放水流的條件，可分為溢流壩段和非溢流壩段[1]。溢流壩段既是擋水建筑物，也是泄水建筑物，其主要作用為擋水、泄洪，同時又要兼顧沖沙、排污、排漂及排冰等[2]，是重力壩的重要組成部分。

在國際工程中，業(yè)主和總承包商對投資造價的管控往往較為嚴格，對水工建筑物結構體型的設計優(yōu)化要求較高。因此選擇一個既滿足結構和強度要求，又工程量最小、施工較為簡單的結構體型，是重力壩設計過程中的重點和關鍵[3]。為節(jié)約工程成本，在色拉龍一級水電站設計過程中，對溢流壩段體型結構進行了大幅度的優(yōu)化，在此前提下，應當更加全面地穩(wěn)妥地對優(yōu)化后的結構體型進行安全性穩(wěn)定性的計算與論證。

本文通過三維有限元方法，對老撾色拉龍一級水電站溢流壩段優(yōu)化后的結構體型進行了全面的仿真與計算，并根據計算結果，對溢流壩段結構體型的安全性、穩(wěn)定性進行了分析與論證。

1 工程概述

老撾色拉龍一級水電站位于老撾中部的沙灣拿吉省色邦亨河的支流色拉龍河下游河段。壩址控制流域面積2 879 km2，壩址多年平均流量90.6 m3/s。水庫正常蓄水位215.00 m，相應庫容8.81億m3，死水位206.00 m，調節(jié)庫容2.84億m3，具有年調節(jié)能力。電站的開發(fā)任務以發(fā)電為主，采用壩式開發(fā)。樞紐工程由混凝土擋水壩、溢流壩、引水發(fā)電系統、發(fā)電廠房及開關站組成，最大壩高64.5 m，額定水頭46 m，最大引用流量171 m3/s，電站裝機容量70 MW，安裝2臺混流式機組，年平均發(fā)電量為2.699億kW·h。

色拉龍一級水電站溢流壩段共分3個壩段，各壩段長度分別為24 m、23 m、24 m，總長71 m。壩頂高程219.50 m，最低建基面高程155.00 m，最大壩高64.5 m，壩基底寬53 m，上游壩坡175.00 m高程以上為鉛直面，以下為1：0.4斜坡。共布置4孔14 m×17 m的泄洪表孔，表孔堰頂高程198.00 m，堰面采用開敞式堰面曲線，頂部向上游懸出5.5 m。閘墩長度36 m，閘墩厚度3 m，表孔溢流壩同時作為排污通道參與水庫排污。

2 計算模型和計算方案

2.1 計算模型

色拉龍一級水電站3個溢流壩段中(11號、12號、13號壩段)，11號、13號壩段體型完全相同，因此選取11號、12號兩個壩段建立三維有限元模型分別進行計算。模型主要包括混凝土壩體上部結構，壩體下部墊層結構以及地基基礎。

溢流壩段混凝土結構采用SOLID185單元。建模過程中，充分考慮了壩身兩種不同類型混凝土的分區(qū)；突出了灌漿廊道、排水廊道、壩底泵房、集水井、邊墻、檢修閘門槽、邊墻上支鉸中心點、油缸支鉸中心點以及工作閘門牛腿支墩等。在網格劃分過程中，根據結構受力的特征，對網格的疏密程度加以控制，盡可能地在應力集中部位和主要構件上細化單元，以提高計算精度，在應力分布比較平緩或者受力較小的大體積混凝土部分，采用較大的網格，以降低計算工作量。

地基部分采用SOLID185單元，建模過程中充分考慮了地基三種不同巖體的分層。壩體底部與地基的作用較為復雜，二者之間傳遞壓應力，而不傳遞拉應力；基底巖體間存在摩擦應力，因此選用無厚接觸單元CONTA173和TARGE170來模擬地基與壩體之間的作用。計算中，將壩體底面設為剛性目標面，將地基與壩體接觸面設為柔性接觸面。法向接觸力只有壓力，切向接觸條件為庫倫摩擦模型。

11號溢流壩段整體單元總數60 519個，節(jié)點總數66 930個；12號溢流壩段整體單元總數57 891個，節(jié)點總數63 755個。計算模型如圖1～6所示。

圖1 11號溢流壩段整體有限元模型

圖2 12號溢流壩段整體有限元模型

圖3 11號溢流壩段壩體結構有限元模型

圖4 12號溢流壩段壩體結構有限元模型

圖5 壩體內部集水井及泵房細部結構

圖6 閘墩上牛腿支墩細部結構

2.2 計算參數與計算荷載

根據計算工況及相應的荷載組合，需要考慮的計算荷載有：自重、靜水壓力、淤沙壓力、泄洪時的動水壓力、揚壓力(浮托力和滲透壓力)、地震荷載等。本工程結構設計按照中國國內相關規(guī)范進行設計，各項荷載按《水工混凝土建筑物設計規(guī)范》(DL/T 5077-1997)以及《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(NB 35047-2015)進行考慮并施加到相應的部位。

根據特征水位表(見表1)，將靜水壓力按照分布面力的形式加載在特征水位線以下的結構作用面上。當工作閘門和檢修閘門關閉時，還要考慮傳遞給門槽或者牛腿支墩的靜水壓力值。壩基底面揚壓力考慮帷幕灌漿和廊道排水，滲透壓力強度系數取0.25。浮托力大小按下游水位計算。

表1 色拉龍一級水電站水庫特征水位

色拉龍一級水電站工程等別為二等，工程規(guī)模為大(Ⅱ)型，擋水泄水建筑物為二級壅水建筑物，工程抗震設防類別為乙等。根據中國國家地震局地質研究所《世界活動構造、核電站、高壩和地震烈度分布圖》分析，工程區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度。相應的地震動峰值加速度為0.05 g。根據《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》(NB 35047-2015)1.0.2條規(guī)定“設計烈度為Ⅵ度時，可不進行抗震計算，但仍應按本規(guī)范適當采取抗震措施”。出于對結構安全性和穩(wěn)定性的考慮，實際計算中仍然進行地震工況的計算，地震峰值加速度為0.07 g，計算采用擬靜力法，在順水流向和垂直水流向分別加載相應的地震峰值加速度，以驗證地震工況下結構的穩(wěn)定性和安全性。

選取的工況及相應的荷載如表2所示。

表2 計算工況組合

3 計算結果與分析

3.1 位移成果分析

根據各工況下的位移計算成果，順水流方向上，溢流壩段主體結構的最大位移都發(fā)生在壩頂?；A面順河向位移較小，最大位移在1～2 mm范圍內；垂直水流方向上除地震工況外，壩體整體結構未見較大的位移或者變形。地震工況下，受垂直水流方向地震荷載作用，壩體上出現了一定的位移，位移最大值為11.522 mm，在可控范圍內。12號壩段的右側閘邊墩受單側閘門荷載以及過流動水壓力的作用，在垂直水流方向出現了一定的位移，但位移值仍在控制范圍內；豎直方向上，壩體的位移沉降在5～8 mm內，發(fā)生在壩底壩趾處?？傮w而言，溢流壩段在各工況下均未出現較為明顯的變形和位移，上游基礎底面未見脫開，整體結構未出現滑移或傾覆，位移和變形均在可控范圍內。各個工況下溢流壩段結構各向位移見表3～4。各典型工況下位移云圖如圖7～8所示。

表3 11號溢流壩段計算工況及位移極值

表4 12號溢流壩段計算工況及位移極值

圖7 正常蓄水位工況下11號壩段順水流向位移云圖(單位：m) 圖8 正常蓄水位工況下12號壩段順水流向位移云圖(單位：m)

3.2 應力成果分析

根據各工況下溢流壩段應力計算結果可知：溢流壩段流道邊墻上支墩牛腿以及液壓啟閉機點處，出現了較大的拉應力集中。最大拉應力出現在校核洪水位工況(工作閘門開啟瞬間)，主要由于閘門啟動瞬間，閘門支鉸點在原有的荷載基礎上，對牛腿支墩還將產生額外的慣性力作用。

12號溢流壩右側閘墩受單側閘門荷載以及過流動水壓力的作用，右側閘門的與壩體之間交界處存在一定的拉應力集中。

壩踵處的灌漿排水廊道在完建未擋水工況下出現了一定的拉應力集中，拉應力最大值為0.91 MPa。其余運行期各工況下該部位所受拉應力很小，在0.2～0.4 MPa之間。

總體而言，溢流壩體結構所受壓應力都在允許范圍內；部分結構存在一定的拉應力集中，但通過配筋即可滿足要求；對于最為關心的壩體上游面，未出現大范圍的拉應力集中。根據應力分布計算所得的單寬配筋建議值如表5所示。典型工況下應力云圖如圖9～10所示。

圖9 地震工況下11號壩段第一主應力云圖(單位：MPa) 圖10 地震工況下12號壩段第一主應力云圖(單位：MPa)

表5 配筋結果計算匯總

4 結 語

通過對色拉龍一級水電站兩個溢流壩段整體應力位移的計算分析可知，除局部位置出現拉應力集中外，溢流壩段整體應力與位移在合理可控范圍內。經過大幅度優(yōu)化的溢流壩段壩體結構，既減小了工程量，降低了投資，也滿足了相關結構的穩(wěn)定性、安全性的要求，同時，設計安全可靠，優(yōu)化合理明顯，符合相關規(guī)范的要求。經有限元計算所得的單寬配筋建議值，較傳統結構力學法計算所得的配筋參數更為精確合理，對工程的施工具有實際的指導意義。