混凝土高拱坝直线型河道库盘变形规律分析

陈 晨 王文芬 陈平龙

(1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2.江苏省徐州市水务局,江苏 徐州 221000)

混凝土高拱坝直线型河道库盘变形规律分析

陈 晨1王文芬1陈平龙2

(1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2.江苏省徐州市水务局,江苏 徐州 221000)

常规的研究发现，高拱坝高坝大库所产生的库盘变形影响是必然存在的，由于其变形规律的不明确性，有必要对高坝大库的库盘变形规律进行研究。本文仅考虑库盘变形的弹性部分，利用线弹性有限元方法，建立高拱坝大范围直线型河道库盘有限元模型，通过数值分析方法研究直线型河道库盘变形规律，并确定合理的库盘建模范围，在此后实际工程的坝体变形分析中，为全面考虑库盘变形对坝体变形性态的影响奠定了基础，确保能够有效地监控大坝的安全运行。

高拱坝；库盘；直线型河道；变形规律

新中国成立以来，我国的拱坝建设发展引人瞩目。当前，拱坝建设迎来了新的高峰期，一批300m级的超高混凝土拱坝在西南地区已建或在建，如：240m的二滩(库容58亿m3)、294.5m的小湾(库容150亿m3)、278m的溪洛渡(库容128亿m3)、289m的白鹤滩(库容206亿m3)以及305m的锦屏一级(库容78亿m3)。实际工程中，技术人员往往发现坝体变形的数值计算成果与监测数据存在很大差异；也有一些工程在蓄水阶段的监测资料表明，在库水位、温度和库盘变形以及坝体特定结构的作用下，坝体有向上游倾倒的变形现象。随着拱坝高度的不断提升，高坝大库工程所特有的库盘变形问题则愈来愈不能忽视。因此，引入了库盘变形概念，探讨库盘变形对高拱坝的破坏与安全问题。库盘变形是由上游巨大水体的自重引起的，它造成坝基向上游转动，使坝体产生向上游的倾倒变形。目前，高拱坝工程的设计、计算及监测方面的研究工作只局限于近坝范围内，而远坝区库盘的变形往往被忽略。对高拱坝而言，高坝大库所产生的库盘变形问题是客观存在的，而其对拱坝变形产生的影响是不明确的，因此，有必要对库盘变形问题进行研究，以便全面地认识高坝大库所引起的库盘变形问题，进一步分析其对高拱坝变形的影响，科学有效地指导高拱坝设计、施工、运行工作。

目前国内外对库盘变形的影响监测和分析较少，国内仅有极少数工程开展了库盘变形的监测工作[1-2]；顾冲时、吴中如[3-4]提出了考虑库盘作用下，坝体、坝基和库盘参数反演的确定性模型方法，探讨了混凝土坝空间位移场的正反分析模型；熬麟[5]探讨了重力坝有限元分析中应力边界条件和位移边界条件的考虑方法；黄耀英等[6-7]将水库地基简化为半无限体，推导了地基的位移和应力，研究了模型合理的建模范围与边界约束方式。

直线型河道是目前较为简单的库盘形式，我国最著名的三峡大坝就属于近似的直线型河道库盘，还有白山水电站拦河坝、东风水电站大坝、青铜峡大坝、盐锅峡水电站大坝等都属于近似的直线型河道库盘，本文以高拱坝为例研究直线型河道库盘变形对坝体变形的影响。

1 直线型河道库盘模型的建立

在各种荷载的长期作用下，高拱坝库盘的变形可以分成弹性变形和塑性变形两部分。随着库水位周期性的涨落，库盘的变形也随之变化：库水位越高，库盘所承受的水体自重越大，其相应的变形也越大，这是库盘变形的弹性部分。而在库水的长期作用下，库盘岩体的裂隙、节理和其他软弱构造将发生不可恢复的塑性变形，称为时效变形。就宏观来说，该项变形的特点是在蓄水初期变化急剧，而后随着时间的推移而逐渐趋于稳定。本文仅考虑库盘的弹性变形部分，利用线弹性有限元方法，建立一高拱坝直线型河道大范围库盘有限元模型，通过数值模拟分析方法确定合理的大库盘有限元模型范围，为了研究直线型河道库盘变形规律，首先建立高拱坝直线型河道库盘大范围模型。

1.1 有限元计算模型的范围

上游方向取30km，下游方向取10km，左右坝肩各取10km，坝基础深度取10km，坝高300m。有限元节点布置时，尽可能将变形测点安排在节点上。

1.2 模型中坐标系的选取

X轴垂直于拱坝中心线，指向左岸为正；Y轴平行于拱坝中心线，指向上游为正；Z轴以竖直向上方向为正。直线型河道库盘有限元模型主要采用六面体八节点等参单元，部分区域采用五面体六节点等参单元。库盘模型共有146797个单元、155640个节点。直线型河道库盘有限元计算模型如图1所示。

图1 直线型河道库盘整体及近坝区有限元网格

1.3 边界条件

库盘模型底部边界施加完全位移约束；库盘上下游侧边界施加顺河向链杆约束；库盘左右岸边界施加横河向链杆约束。

1.4 力学参数

库盘基础变形模量、密度随深度逐渐增大，泊松比逐渐减小，其中地基密度2500～2700kg/m3(1km→10km)、泊松比0.23～0.2(1km→10km)、变形模量12.5～50GPa(1km→10km)。

2 特征点的选取

选取拱冠梁坝踵、坝趾沉降位移，拱冠梁坝顶上游侧向上游位移，距坝上游约100m、500m和距坝下游约200m的沉降位移6个典型点的计算位移值来研究直线型河道库盘变形变化规律，沉降量取向下沉降为正，坝顶位移取向上游位移为正。典型点位置如图2所示。

图2 拐弯型河道典型点位置示意图

3 库盘模型范围对库盘变形规律影响分析

库盘变形受到库盘范围的影响，其中库盘的范围包括库盘的宽度、深度及长度等。为了充分反映库盘范围引起的对库盘变形的影响，重点研究库盘的宽度、深度及长度引起的对库盘变形的影响，同时考虑库盘往下游延伸不同长度情况下对库盘变形的影响。

3.1 库盘模型上游河道长度对库盘变形的影响

为研究库盘模型不同上游河道长度作用下的库盘变形变化规律，在库盘有限元模型计算中，假定库盘模型上游河道长度改变，其他因素不变，据此开展研究。

直线型河道库盘模型计算：下游河道取10km、左右岸宽度取10km、地基深度取10km、坝前水深295m固定不变；上游方向5～30km每递增5km计算一次，共6组数据。

库盘模型在选取不同的上游建模范围时，特征点位移计算值见下表和图3。

直线型河道库盘模型不同上游河道长度下典型点位移表 单位：mm

图3 直线型河道库盘模型不同上游河道长度下典型点位移

以研究库盘模型不同上游河道作用下的库盘变形规律为例，采用相同的方法研究不同下游河道长度、左右岸宽度及地基深度对库盘变形的影响。经计算得到直线型河道库盘模型不同的下游河道长度、左右岸宽度及地基深度范围各特征点位移。运用Marc计算得到直线型河道库盘最大范围有限元模型沉降位移等值云图，地基深度1km、10km坝体上游顺河向位移等值云图，如图4～图5所示。

图4 直线型河道模型远、近坝区有限元模型沉降位移等值云图(竖直向上为正)

图5 直线型河道模型地基深度为1km、10km时坝体上游顺河向位移等值云图

4 结 论

通过上述计算可以得到该混凝土高拱坝直线型河道库盘如下变形规律：

a.由上页表可知，随着库盘模型上游范围的增加，特征点沉降逐渐增大，收敛很快；拱冠梁向上游位移值增大，收敛速度稍慢。当以|(δi+1-δi)/δi|≤0.05作为收敛判据，可以判断库盘模型上游模拟至少达到10km时，特征点位移值收敛。

b.随着库盘模型下游建模范围的扩大，特征点沉降量增加并且逐渐收敛，拱冠梁向上游位移值增大，逐渐收敛。当直线型河道库盘下游河道长度达到3km时特征点位移值收敛。

c.随着库盘模型左右岸建模范围的扩大，特征点沉降量增加并且逐渐收敛，拱冠梁向上游位移值增大，收敛速度稍慢。直线型河道库盘模型左右岸建模范围达到3km时位移值收敛。

d.随着库盘模型地基深度的增加，特征点沉降量显著增加，最终变形趋于收敛。坝体最大顺河向变形由1/4拱梁坝顶向拱冠梁坝顶转移。直线型河道库盘模型深度的建模范围取9km时典型点位移计算达到收敛。

由此可以确定本文所模拟的高拱坝直线型河道库盘模型的合理建模范围，坝体向上游河道延伸10km，向下游河道延伸3km，左右岸宽度3km，地基深度9km。本文利用有限元方法，建立高拱坝直线型河道库盘有限元模型，通过数值分析方法分析库盘的变形规律并确立合理的库盘有限元模型范围，为此后研究库盘变形对大坝变形性态影响分析奠定了基础。

[1] 吴中如，顾冲时.大坝原型反分析及其应用[M].南京：江苏科学技术出版社，1999：7-21，99-106.

[2] 郑东健，刘广胜，顾冲时.大坝水平位移监控指标拟定的混合法[J].水电自动化与大坝监测，2002，26(2)：42-44.

[3] 顾冲时，吴中如.大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用[M].南京：河海大学出版社，2006：182-187.

[4] 顾冲时，吴中如.坝体、坝基和库盘变模的整体反演分析[J].水力发电学报，1996(3):43-48.

[5] 熬麟.用有限单元法计算重力坝时关于地基边界条件的探讨[J].水力学报，1981(4):18-29.

[6] 黄耀英，王润富，吴中如.无限均布压力作用下弹性地基的应力和位移[J].河海大学学报：自然科学版，2007，35(5)：518-523.

[7] 黄耀英，沈振中，吴中如，等.混凝土坝及坝基分析中截取边界的影响[J].水利水运工程学报，2007(4):9-13.

Analysis on deformation law of concrete high arch dam linear river channel base plate

CHEN Chen1, WANG Wenfen1, CHEN Pinglong2

(1.JiangsuArchitectureVocationalandTechnicalCollege,Xuzhou221116,China;

2.JiangsuXuzhouWaterAuthority,Xuzhou221000,China)

Regular study discovers that base plate deformation influence produced by high arch dam high-dam reservoir is inevitable. It is necessary to study the base plate deformation law of high-dam reservoir because of the uncertainty of the deformation law. In the paper, only elastic part of base plate deformation is considered, and linear elastic finite element method is utilized for establishing high arch dam wide range linear river channel base plate finite element model. The deformation law of linear river channel base plate is studied through numerical analysis method. Rational base plate modeling scope is determined, thereby laying foundation for comprehensively considering the influence of base plate deformation on dam deformation behavior in dam deformation analysis of practical project in the future, and ensuring effective monitoring of dam safe operation.

high arch dam; base plate; linear river channel; deformation law

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.10.017

TV642.4

A

1673-8241(2015)10-0057-04