曹 凱

（吐魯番市清源水利水電勘測設(shè)計院有限公司，新疆 吐魯番 838000）

1 工程概況

高昌區(qū)塔爾朗水庫位于高昌區(qū)北西部塔爾朗河中下游峽谷區(qū)河段，是一座具有工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)灌溉功能的綜合性水利樞紐工程。水庫正常蓄水位1 168.00 m，相應(yīng)庫容2 325 萬m3，校核洪水位1 170.46 m，相應(yīng)庫容2 534 萬m3，最大壩高71 m。本工程為Ⅲ等中型工程，土石壩級別為2級，永久建筑物導(dǎo)流兼放空沖沙洞、溢洪洞和灌溉洞級別為3級。因洪水標(biāo)準(zhǔn)不因建筑物提級而提高，故水庫大壩取50 a 一遇洪水為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，取1 000 a 一遇洪水為校核標(biāo)準(zhǔn)。

2 工程地質(zhì)條件

大壩基礎(chǔ)河床堆積為巨厚的現(xiàn)代河床沉積的砂卵礫層夾漂石，最大厚度達99.5 m，結(jié)構(gòu)較松散～密實，為中等～強透水層，存在壩基滲漏問題；兩岸及河床下伏基巖上部為中等～弱透水層，其相對不透水層（q＜5 Lu）埋深左岸28.3～41.3 m、右岸42.0～50.8 m、河床34.7～106.5 m。兩岸地下水埋藏較深，左、右岸蓄水位處埋深分別約41.9、46.1 m。為此，需做好基巖內(nèi)的防滲，其防滲帷幕可考慮與相對不透水層（q＜5 Lu）封閉，則左、右兩岸繞壩滲漏長分別約87、93 m[1]。

3 大壩變形、應(yīng)力及抗震有限元分析

3.1 土石壩三維有限元計算模型和主要參數(shù)

3.1.1 計算模型

本文計算模型分為靜力本構(gòu)模型和動力本構(gòu)模型。靜力本構(gòu)模型中，筑壩堆石料是非線性材料，其引起壩體變形因素為荷載的大小及加荷的應(yīng)力路徑，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系會呈現(xiàn)出明顯的非線性特性。通過三軸試驗研究結(jié)果可以看出，鄧肯-張E-B 模型公式對壩料應(yīng)力和應(yīng)變非線性特性能較好的反映。動力本構(gòu)模型中，振動碾壓堆石壩在地震過程中主要表現(xiàn)為振縮特性，加強了抵御地震破壞的能力，同時密實的壩體地震反應(yīng)更為劇烈，大壩特別是壩頂?shù)募铀俣确磻?yīng)更大，鞭梢效應(yīng)更強，大壩局部抗震設(shè)計措施必須得到加強。粗粒料的動力性質(zhì)研究成果較為豐富，計算采用振動硬化模型，該模型可反映粗粒料振動硬化對大壩抗震的不利影響[2]。

3.1.2 計算條件

大壩的三維有限元計算共分23級，其中第1～5級為覆蓋層，第6～20 級為大壩壩體全斷面每填筑1～7 m厚度為1級，高程范圍為1 095.5 ～1 172.0 m，第21 級為壩體蓄水至死水位1 136.0 m，第22 級為壩體蓄水至1 150.0 m，第23級為壩體蓄水至正常蓄水位1 168.0 m，通過23級加載過程來模擬整個壩體加載及蓄水過程。

3.1.3 計算參數(shù)

（1）靜力參數(shù)。靜力計算采用E-B 模型，各參數(shù)詳見表1。

表1 壩料E-B模型計算參數(shù)

（2）動力參數(shù)。塔爾朗水庫瀝青心墻壩壩料動力參數(shù)，通過類比已有土石壩壩料試驗結(jié)果，綜合考慮壩料的設(shè)計干密度、母巖巖性等情況最終確定，詳見表2。

表2 壩料動力計算參數(shù)

3.1.4 計算網(wǎng)格剖分

大壩采用三維自動剖分程序剖分壩體單元，以河床典型剖面為基準(zhǔn)，沿壩軸線方向共設(shè)定43個計算剖面，對各壩段自左岸至右岸進行了編號。塔爾朗水庫整個壩體共剖分10 792個總節(jié)點數(shù)、10 367個總單元數(shù)，其中有728個心墻單元和75個防滲墻單元[3]。

3.2 壩體靜力非線性有限元計算成果分析

本計算主要利用三維非線性有限元分析方法，對大壩的應(yīng)力與變形進行計算分析。

3.2.1 壩體變形

竣工工況和正常蓄水位工況下的壩體變形，如圖1—2所示。

圖1 竣工工況下大壩橫斷面位移

從圖1 可以看出，在竣工工況下，壩體主要因為筑壩料的泊松效應(yīng)，使得斷面上下游方向水平位移分別指向上下游，上游及下游最大位移分別為16.8、11.5 cm，分別位于上游高程1 120.00 m附近及下游高程1 100.00 m 附近，分布較為規(guī)律；最大豎向位移為58.4 cm，發(fā)生在高程1 130.00 m 附近的中心區(qū)域，占壩高的0.82%。從圖2 可以看出，在正常蓄水位工況下，壩體主要因為水力作用，促使壩體上下游水平向位移整體向下游偏移，指向上游及指向下游的的最大位移分別為11.5、35.1 cm，發(fā)生在高程1 120.00 m 附近位置，最大豎向位移為62.6 cm，發(fā)生在高程1 135.00 m 附近的偏上游壩中心區(qū)域，占壩高的0.88%。

圖2 正常蓄水位工況下大壩橫斷面位移

3.2.2 壩體應(yīng)力

竣工工況和正常蓄水位工況下的壩體應(yīng)力，如圖3—4所示。

圖3 竣工工況下大壩橫斷面第一及第三主應(yīng)力

從圖3 可以看出，在竣工工況下，壩體第一與第三主應(yīng)力最大值分別為1.32、0.38 MPa，均發(fā)生在壩體與基座接觸部位，存在壩體主應(yīng)力與壩坡基本平行且從壩頂向壩基呈現(xiàn)逐漸加大的趨勢特點。從圖4 可以看出，在正常蓄水位工況下，壩體主應(yīng)力分布規(guī)律及趨勢特點與竣工工況下基本相似，大、小主應(yīng)力的位置也基本相同，但極值有所增大，第一與第三主應(yīng)力最大值分別為1.48、0.56 MPa；由于水荷載的作用，壩體內(nèi)部心墻、地基防滲墻共同組成的防滲體的上、下游側(cè)的應(yīng)力存在不連續(xù)現(xiàn)象[3]。

圖4 正常蓄水位工況下大壩橫斷面第一及第三主應(yīng)力

3.2.3 壩體剪應(yīng)力水平

竣工工況和正常蓄水工況下壩體剪應(yīng)力水平，如圖5所示。

圖5 竣工工況和正常蓄水位工況下大壩橫斷面動剪應(yīng)力

從圖5 可以看出，在壩體竣工期，最大剪應(yīng)力發(fā)生在上、下游過渡料和心墻結(jié)合處，最大值為0.49，上下游分布近似對稱；而正常蓄水工況下由于水荷載的作用，最大剪應(yīng)力發(fā)生在上游過渡料區(qū)與心墻結(jié)合處，最大值為0.84，但未發(fā)生剪切破壞。

3.3 壩體動力非線性有限元計算成果分析

查閱《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，可確定塔爾朗水庫場地特征周期Tg=0.40 s。根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》，塔爾朗水庫工程設(shè)計反應(yīng)譜的平臺最大值βmax=1.60，最小值βmin=0.478，大于βmax的20%，已經(jīng)滿足規(guī)范要求。查閱《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》和根據(jù)地質(zhì)報告可確定塔爾朗水庫地震峰值加速度為0.20 g，因此本計算過程中以0.20 g 的地震峰值加速度作為設(shè)計地震波。

采用SIMQKE-GR 程序生成規(guī)范譜與地震波，大壩水平向（順河向和壩軸向）地震動峰值加速度時程曲線的生成結(jié)果如圖6所示。

圖6 大壩水平向（順河向和壩軸向）地震動峰值加速度時程曲線

其中，設(shè)計地震規(guī)范波作用下大壩水平向地震動峰值加速度為2.0 m/s2，豎向地震動峰值加速度取水平向地震動峰值加速度的2/3，即1.33 m/s2。

具體計算結(jié)果，詳見表3。

表3 不同工況下大壩動力反應(yīng)及永久變形計算結(jié)果

3.3.1 壩體動力反應(yīng)

塔爾朗水庫在設(shè)計地震規(guī)范波作用下壩體動力反應(yīng)，如圖7—9所示。

圖7 塔爾朗水庫在設(shè)計地震規(guī)范波作用下壩體加速度反應(yīng)極值

從圖7 可以看出，在設(shè)計地震規(guī)范波作用下，大壩3個方向的加速度反應(yīng)極值基本于壩體保持對稱分布，最大值均發(fā)生在壩頂部位，其中順河向地震動峰值加速度最大反應(yīng)值為565 g，放大倍數(shù)為2.83倍；豎直向地震動峰值加速度最大反應(yīng)值為360 g，放大倍數(shù)為1.80倍；壩軸向地震動峰值加速度最大反應(yīng)值為389 g，放大倍數(shù)為1.95倍。從圖8可以看出，壩頂振幅相對較大，最大達7.74 cm。從圖9可以看出，Txy方向的動剪應(yīng)力在壩體心墻與過渡料相接區(qū)約1 127.0 m高程出現(xiàn)峰值，最大動剪應(yīng)力為139 kPa；在心墻與反濾料相接區(qū)域，Txz方向的動剪應(yīng)力較大，最大動剪應(yīng)力為124 kPa；Tyz方向的動剪應(yīng)力極值主要存在于下游壩殼料區(qū)中上部，最大動剪應(yīng)力為107 kPa[4]。

圖8 塔爾朗水庫在設(shè)計地震規(guī)范波作用下壩體最大振幅

圖9 塔爾朗水庫在設(shè)計地震規(guī)范波作用下壩體動剪應(yīng)力極值分布

3.3.2 震后永久變形

塔爾朗水庫在設(shè)計地震規(guī)范波作用下壩體震后永久變形，如圖10所示。

圖10 塔爾朗水庫在設(shè)計地震規(guī)范波作用下壩體震后永久變形

從圖10 可以看出，在設(shè)計地震規(guī)范波作用下，壩體順河向的永久變形基本指向下游，最大值為3.7 cm，出現(xiàn)在河床最大剖面；豎直向永久變形最大值為11.6 cm，位于最大剖面的壩頂；壩軸向永久變形為兩岸向河谷內(nèi)發(fā)展，基本呈對稱趨勢分布，最大值左岸指向右岸為1.57 cm、右岸指向左岸為1.45 cm[5]。

4 結(jié)論

通過對塔爾朗水庫土石壩的三維有限元靜、動力計算成果和實際情況的比較分析，認為計算成果與實際情況基本相符，證明成果合理，主要結(jié)論如下。

（1）在竣工期壩體最大沉降發(fā)生在壩高的約1/2處，最大豎直方向位移占最大壩高的0.82%；在蓄水期壩體最大沉降亦發(fā)生在壩高的約1/2 處，最大豎直方向位移占最大壩高的0.88%。

（2）在竣工期和蓄水期，在壩軸線附近的壩體底部均有最大主應(yīng)力產(chǎn)生，第一主應(yīng)力隨著越靠近壩底中部壩軸線附近會變得越大。

（3）對大壩進行三維地震反應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，最大加速度反應(yīng)的放大倍數(shù)約2.83 倍，位置基本在壩頂部位，存在鞭梢效應(yīng)。經(jīng)計算，豎直方向地震永久變形最大值為11.6 cm，位于最大剖面的壩頂。

（4）壩體動剪應(yīng)力峰值主要分布在心墻與反濾料相接的兩側(cè)區(qū)域，最大值為139 kPa。

（5）大壩靜、動力計算結(jié)果表明，在竣工期和蓄水期壩體最大沉降值占最大壩高的百分比小于1%，最大加速度反應(yīng)、最大永久變形均位于壩頂，其分布規(guī)律合理，符合土石壩的一般規(guī)律。

綜上，塔爾朗水庫瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計方案是合理的。為保證塔爾朗水庫瀝青混凝土心墻砂礫石壩滿足抗震要求，需要采取一定的抗震措施[6]。