响水涧抽水蓄能电站上水库主坝应力变形分析

吕高峰

(国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州 310014)

1 工程概况

安徽响水涧抽水蓄能电站位于安徽省芜湖市三山区峨桥镇境内，为日调节纯抽水蓄能电站，电站属大(2)型二等工程.电站枢纽主要由上水库、输水系统、地下厂房系统、开关站和下水库等建筑物组成.

上水库位于浮山东部的响水涧沟源坳地，由主坝、南副坝、北副坝、进出水口等建筑物组成.正常蓄水位222.00 m，设计洪水位222.8 m，正常发电消落水位198.00 m，死水位190.00 m，正常蓄水位222.00 m时总库容1 612万m3，有效库容1 282万m3，死库容303万m3.

上水库主坝为钢筋混凝土面板堆石坝，趾板以上最大坝高为87.0 m，坝顶长度为520 m，坝顶宽度为8.625 m.上水库库盆和库岸地质条件良好，主坝坝基采用帷幕灌浆防渗.因天然库容偏小，需要人工扩挖有效库容220 万m3，开挖石料用于主坝坝体填筑.

主坝坝体即自上游向下游依次为盖重区(1B)、上游铺盖区(1A)、垫层区(2A)和特殊垫层区(2B)、过渡区(3A)、主堆石Ⅰ区(3B)、主堆石Ⅱ区(3C)、主堆石Ⅱ增模区(3C2)、基础过渡区(3C1)、排水层区(3F区)及下游护坡(3D).主坝坝体典型剖面材料分区(见图1).

图1 主坝典型剖面坝体材料分区

2 计算模型、参数与方案

2.1 计算模型

响水涧上水库主坝坝体三维有限元模型如图2所示.网格剖分按面板分缝进行，地面以实际开挖线为界.单元剖分时考虑了材料分区和施工填筑顺序等.本模型共划分有限元单元5 434个，节点6 006个.

图2 主坝三维有限元网格图

2.2 计算参数

混凝土面板采用线弹性模型，计算参数(见表1)，其余坝体填筑材料采用邓肯-张E-B模型[1]，计算参数(见表2).

表1 混凝土弹性材料参数

表2 筑坝土石材料邓肯E-B模型最终参数

2.3 计算方案

分级加荷按设计提供的施工程序(坝体填筑、趾板和面板浇筑、蓄水过程等)进行，具体加载过程如图3所示.分别分析坝体填筑完成1年后(第23级，方案1)、蓄水至设计洪水位222.8 m(蓄水期，第24级，方案2)及降水至正常发电消落水位198.0 m(25期，方案3)三个方案[2-5].

图3 主坝施工与蓄水模拟

3 计算结果

3.1 坝体的应力变形

分析以0+224断面为例，典型剖面在各方案的水平位移、沉降位移最大值见表3，大主应力最大值见表4；典型断面在各方案的位移(见图4)，大主应力(见图5).由图表可知：

(1)坝体填筑完成一年后由于坝基面向下游方向倾斜以及上下游堆石材料的不同，下游侧坝体指向下游方向的水平位移比上游侧指向上游的水平方向位移大，零位移线稍偏向上游.在填筑完成后一年向上游方向的水平位移最大值是-10.0 cm，向下游方向的水平位移最大值25.6 cm.当蓄水至设计洪水位222.8 m时，由于水压力的作用，该水位以下上游侧坝体水平位移大部分指向坡内，其最大值有所增加，但该水位对坝轴线以下坝体的水平位移影响较小，零位移线稍向上游偏移.蓄水期向上游方向的水平位移最大值是-2.1 cm，向下游方向的水平位移最大值是30.7 cm.降水至正常发电消落水位198 m时，上游侧向上游方向的水平位移增加，向上游方向的水平位移最大值是-9.4 cm，向下游方向的水平位移最大值是25.6 cm，其分布与量值和蓄水前基本接近，这说明大部分堆石体在自重与水荷载作用下处于弹性阶段[6].

(2)最大沉降位移位于坝轴线附近约1/2坝高处，整个坝体垂直位移基本呈对称分布.坝体填筑完成一年后，沉降位移最大值分别为71.35 cm.对于面板坝，水压力主要集中在坝体上游侧，且从上游面板开始向下游方向影响逐渐减小，因此，蓄水后，上游侧坝体沉降量有比较明显的增加，位于坝轴线附近半坝高左右的沉降最大值也有所增加.在蓄水期，沉降最大值为75.1 cm，降水后典型断面的沉降最大值为71.36 cm.三个方案的的最大沉降计算值为75.1 cm，占坝高的0.9 %，与同类土石坝工程的计算值相近.

(3)坝体的大主应力与高程有关，即与上覆坝体的厚度成正比，坝轴线底部坝体厚度最大，相应的大主应力也最大.坝体大主应力基本关于坝轴线对称分布.坝体填筑完成一年后，典型断面的大主应力最大值是1.40 MPa，水库蓄水会引起坝体上游侧大主应力值增大，对下游侧坝体应力基本无影响.在蓄水期，典型断面的大主应力最大值是1.42 MPa.水库降水后会使坝体上游侧大小主应力减小，对下游坝体应力基本无影响.降水后，典型断面的大主应力最大值是1.41 MPa.

表3 典型计算剖面坝体水平向位移、沉降位移最大值 (单位：cm)

图4 典型剖面水平位移和沉降位移等值线图(cm)

图5 典型断面大主应力(MPa)

(单位：MPa)

图6～图8分别是沿坝轴线坝体的坝轴向位移、沉降位移和大主应力等值线图.在沿坝轴线上的水平位移正值代表从左岸向右岸的位移，负值代表从右岸向左岸的位移.由图可知：

(1)坝轴向位移整体向河谷中间变形，坝体填筑完成一年后，两岸向河谷中间的变形最大值整体相差不大.中间部分沿坝轴线方向坝体位移为零.蓄水后顺河向位移有一定增大，但增大很小，说明作用在面板上且垂直于面板的水压力对坝轴向位移影响不大.

(2)在沉降位移方面，最大值出现在河谷部位约1/2坝高处，最大值为79.02 mm.蓄水后沿坝轴线展开面上沉降位移有一定增大.

(3)沿坝轴线展开面上大主应力与横剖面上的应力分布规律相同，基本与上覆坝体的厚度成正比，因此河谷中心底部的大主应力值最大.大主应力最大值为1.57 MPa，蓄水前后沿坝轴线展开面上大、小主应力变化不大.

3.2 面板应力变形及接缝位移

图9～图10分别是蓄水至设计洪水位222.8 m时面板挠度与应力，图11是蓄水至设计洪水位222.8 m时面板垂直缝张拉图，图12是蓄水至设计洪水位222.8 m时周边缝变形图.由图可知：

图6 沿坝轴线展开面坝体坝轴向位移(cm)

图7 沿坝轴线展开面坝体沉降位移(cm)

图8 沿坝轴线展开面坝体最大主应力(MPa)

(1)面板的变形主要由蓄水引起，面板挠度最大值发生在沟谷中部水压力合力作用点附近，其最大值为26.2 cm.

(2)面板大部分区域顺坡向压应力数值不大，仅在河谷中心靠近面板底部应力较大，最大值约为1.4 MPa.沿坝轴线方向，由于两岸坝体向河谷中间的变形，从而带动面板向沟谷中间的挤压变形，因此面板的轴向应力为压应力.但由于响水涧工程上库主坝沟谷比较宽阔，两岸坝体向河谷中间的变形较小，计算的面板轴向压应力不大，最大值约为1.9 MPa.

(3)面板垂直缝张拉位移及周边缝三向位移都不大.其大致规律为：由于左岸地形比较倾斜，左岸

面板垂直缝有0.5～3.5 mm左右的张拉位移(不统计垂直缝底部变形)，右岸则有0.5～2.5 mm的张拉位移，中间部位面板垂直缝基本处于压紧状态.周边缝左右岸分别向沟谷中间错动，左岸错动位移最大值为8 mm，右岸错动位移最大值为4 mm；周边缝有一定的张开，最大张拉位移为14 mm；周边缝沉陷位移很小，最大值为1.6 mm.

图9 蓄水至设计洪水位222.8m时面板挠度(cm)

图10 蓄水至设计洪水位222.8 m时面板应力

图11 蓄水至设计洪水位222.8 m时面板垂直缝张拉图(mm)

图12 蓄水至设计洪水位222.8 m时周边缝变形图

4 结 语

通过以上分析计算可知：

(1)坝体应力变形的分布规律较为正常.坝体的变形量不大，水平位移值最大也只有30.7cm，最大沉降位移值为75.1 cm，均在库水位处于设计洪水位222.8 m的工况下，最大沉降与坝高比例为0.9%，与类似工程接近.蓄水前后，坝体变形变化不大，说明坝体设计合理.

(2)蓄水后计算的面板挠度最大值为26.2 cm，与坝轴线处的坝高(约89.5 m)的比值为0.29%，小于同类工程的计算值.面板内应力基本为压应力，最大值为1.9 MPa，远小于混凝土的抗压强度.计算的面板接缝位移也不大，垂直缝最大张开位移3.5 mm，周边缝的三向位移最大值小于14 mm.面板接缝位移整体较小，能保证面板止水系统的正常运行.

参考文献：

[1] 殷宗泽. 土工原理[M]. 北京：中国水利水电出版社，2007.

[2] 吕高峰，王柳江，严 俊.流固耦合对深厚覆盖层内防渗墙应力变形的影响[J].水力发电,2012,38(12)：22-24,30.

[3] 刘斯宏，吕高峰. 考虑流变效应的响水涧抽水蓄能电站上水库主坝长期变形预测[C]//土石坝技术2011论文集，北京:中国电力出版社:450-458.

[4] 吕高峰，朱锦杰.覆盖层开挖深度对闸底板沉降的影响分析[J].大坝与安全,2014(1):37-40.

[5] 张学峰,吕高峰,孔维耀,等.深厚覆盖层上某闸坝工程的应力应变分析[J].三峡大学学报:自然科学版,2013,35(4):12-15.

[6] 顾唯星.深厚覆盖层心墙堆石坝应力场与渗流场耦合计算分析[D].江苏:河海大学,2011.