杨房沟拱坝坝基综合变形模量分析

黄熠辉

(中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江 杭州 310014)

1 工程概况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上麦地龙乡上游约6 km处。雅砻江中游河段(两河口—江口段)是我国能源发展规划的“十三大”水电基地之一,杨房沟水电站是中游河段1库6级开发的第5级,上距孟底沟水电站37 km,下距卡拉水电站40 km。杨房沟水电站工程的开发任务为发电,水库总库容为5.125亿m3,正常蓄水位为2094.00 m,电站装机容量为1500MW;挡水建筑物为混凝土双曲拱坝,坝顶高程2102.00 m,坝底高程1947.00 m,最大坝高155 m,拱冠梁底厚32 m,属于中厚高拱坝。本工程为Ⅰ等工程,工程规模为大(1)型。混凝土双曲拱坝、泄洪建筑物、引水发电系统等永久性主要水工建筑物均为1级建筑物。

拱梁分载法是拱坝应力分析的基本方法,其坝基一般采用比较粗略的伏格特地基模型。该拱坝最大坝高150 m,属高拱坝,正常蓄水位时最大水头近150 m,推力超过200万t,坝体应力较高,坝基岩体变形模量对拱坝体形优化以及坝体应力状态影响较大,常规粗略的伏格特地基模型较难真实反映该拱坝坝基的实际情况,须寻找一种较为准确、合理的计算方法。

2 坝址基本地形地质条件

坝址区河流流向南偏东 30～40°,枯水期水位高程1983.0～1985.0 m,河面宽 56.0～102.0 m,河道从上游至下游变窄,坝址至勘Ⅴ线下河道又渐变宽。两岸地形较陡,基本对称,左岸高程2110 m以下坡度总体约45～60°,高程2110～2300 m局部为悬崖,右岸坡度50～70°。

坝址出露地层主要为燕山期花岗闪长岩及上三叠统杂谷脑组板岩夹砂岩、新都桥组变质粉砂岩,变质粉砂岩层内局部夹含炭质板岩等。燕山期花岗闪长岩为坝址枢纽区主要出露岩性,深灰～浅灰色,斑状结构为主,块状构造。

在坝区出现的构造形迹主要为Ⅲ级、Ⅳ级小断层及大量的构造节理裂隙组成的较为复杂的构造系统。坝址区卸荷带特征:多沿顺河的NNW向和NNE向或者与谷坡走向呈小角度夹角裂隙、断层发育,但卸荷深度不大,基岩多呈弱风化,局部因蚀变呈强风化。

表1为坝基岩体 (花岗闪长岩)的分级以及力学指标地质建议值。

表1 坝基岩体分级及力学指标建议值表

3 坝基综合变形模量的计算

杨房沟高拱坝建基面嵌深立视示意如图1所示:拱坝中上部高程建基面位于Ⅲ1类 (弱风化下段无卸荷)岩体中,下部高程建基面位于Ⅱ类(微风化～新鲜)岩体中。

拱坝属超静定结构,地基变形对拱坝应力分布有较大影响,传统的计算拱坝坝基变形的作法是把拱坝地基概化为伏格特(Vogt)地基模型。计算中假定地基是无限深的、均匀的、各向同性的弹性材料,这对基岩来说是很粗略的假定。把坝底与基岩的接触面展平,把坝轴线拉直,绘成接触面展开面积图,然后按面积相等、长宽比例近似的原则,用一矩形来替代展开面积,此矩形长宽比作为此拱坝的一个常数,据此常数以及计算点处坝基岩体的泊松比查表求得伏格特系数,进而求得地基变形。可见,伏格特地基模型依据传统经验,计算方法比较粗糙。

图1 拱坝建基面嵌深示意图

有关研究表明,通过有限元建立地基模型,进行坝基变形模量计算精度更高,国内在高拱坝工程研究中,也采用了有限元法模拟实际地基条件进行坝基变形模量分析。结合研究成果和工程实例,本工程采用大型商业有限元软件ANSYS进行拱坝建基面综合变形模量计算分析,基本方法如下:

采用平面有限元法构建特征高程坝基水平剖面和垂直剖面,在地质岩体变形参数研究的基础上,充分考虑岩体分区、断层、坝基开挖等多方面因素,在拱端施加径向、切向、弯矩方向的单位荷载,分别计算出各特征高程的水平拱向和垂直梁向的变形,再通过应变能相等原理求出相应的水平拱向和垂直梁向的坝基综合变形模量,按照拱肩槽岸坡角对拱向和梁向变形模量进行分解,最终得出相应高程的拱坝坝基综合变形模量[1]。

取拱坝控制高程:2102,2080,2060,2040,2020,2000,1980,1960 m。每个高程除顶拱外,分别模拟左岸拱向、左岸梁向、右岸拱向、右岸梁向4个地基模型。模型中模拟拱端开挖线、坝基附近岩体分级、主要的地质结构面。模型按平面四边形单元进行网格划分。断层等结构面沿厚度方向分为3层单元。图2、3为典型有限元计算网格模型。

图2 2060 m高程左岸拱向有限元模型图

图3 2060 m高程左岸梁向有限元模型图

坝基岩体力学计算参数采用表1地质建议中间值,断层等结构面厚度按照地质测量厚度取值,变形模量按地质建议值的0.8倍取值。

经有限元计算,最终得出各特征高程坝基综合变形模量 (见表2):河床1947m高程及以下坝基处于Ⅱ类 (微风化～新鲜)岩体中,综合变形模量取16.0 GPa。

表2 各特征高程坝基综合变形模量计算成果表GPa

由上述结果可看出,随着高程的降低,计算出的左右岸坝基综合变形模量随之增大,说明建基面岩体质量从上至下逐渐提高,对拱坝受力非常有利;从建基面所处的岩体分类来说,左右岸约2000 m高程为Ⅲ1类 (弱风化下段无卸荷)岩体和Ⅱ类(微风化～新鲜)岩体分界处,2102～2020 m坝基综合变形模量在10～13 GPa范围,2000～1947 m坝基综合变形模量在13～16 GPa范围,均未超过表1地质建议值基本相符;从左右岸坝基综合变模对比情况来看,两岸坝基岩体条件对称性良好。

4 结 语

杨房沟电站拱坝工程与可行性研究设计阶段采用平面有限元法,在地质岩体变形参数研究的基础上,模拟岩体分区、断层、坝基开挖等多方面因素,利用应变能相等原理对基各特征高程的综合变形模量,进行了计算,均未超过坝基相应岩体分级的变形模量地质建议值;左右岸坝基综合变形模量对称性良好,对拱坝受力非常有利。这样计算出的坝基综合变模较为真实的反映了杨房沟拱坝坝基的实际情况,与传统的粗略的伏格特地基模型相比,是一大进步。

[1]周涛.溪洛渡水电站拱坝基础综合变模分析 [J].四川水力发电,2001(6):89-93.