波罗水电站提高正常蓄水位后的安全分析

王亚洲，罗　伟，漆文邦

(四川大学,成都　610065)



波罗水电站提高正常蓄水位后的安全分析

王亚洲，罗伟，漆文邦

(四川大学,成都610065)

波罗电站水库安全运行已达14 a，为了充分利用水资源，增加经济效益，现拟提高正常蓄水位0.5 m，提高蓄水位后闸坝能否保持安全稳定尚需论证。以此为背景，建立了波罗水电站闸坝各坝段三维有限元模型，计算分析了闸坝各坝段变形、应力、基底应力以及抗滑稳定安全系数，通过水力计算对坝顶高程进行了校核，并论证了新的水库运行方式。研究表明，提高水库正常蓄水位后对闸室位移和应力影响微弱，仍能保证水库安全运行。

闸坝；有限元分析；正常蓄水位；变形；应力；水库运行方式

0　前　言

中国水资源紧张，且分布不均。水资源是发展国民经济不可缺少的重要自然资源。优化水资源配置、提高水资源利用效率是实现水资源合理开发利用的基础，是水资源可持续利用的根本保证[1-2]。

安全是工程设计中首要考虑的因素，但如果保守得过于追求安全就会造成经济上的浪费。以往的一些工程存在这样的现象，这也为利用多余的安全储备，提高利用效率提供了可能，但需要做充分的论证[3]。

通常情况下水库按照设计修建完成之后，必须按照规定的运行方式运行，贸然提高水库蓄水位，很可能会对水库的安全造成巨大的影响。其主要表现在：

(1) 坝体结构和基础的受力会发生改变，大坝的稳定性、坝体及地基的应力和变形都会受到影响。

(2) 水库淹没增加，淹没损失及影响应根据实际地形条件重新确定。大坝安全超高是否满足规范要求也应需要计算论证。

(3) 库岸边坡、金属结构以及消能设施的受力环境均会在一定程度上发生改变，可能会引发安全问题。

因此，水库提高正常蓄水位之后，必须对大坝安全、水库运行方式、库岸边坡稳定、水库淹没和大坝安全超高等问题进行专题论证。下面以波罗水电站为例重点对提高正常蓄水位后波罗水电站闸坝的安全性、大坝安全超高以及新的水库运行方式进行简要分析。

1　工程概况

波罗水电站位于四川省马边彝族自治县境内，是马边河上游主流挖黑河上的1座以发电为单一目标、具有日调节水库的高水头引水式电站。波罗水电站总装机52 MW，设计水头233.00 m，最大水头272.00 m，最小水头233.00 m，加权平均水头258.00 m，最大引用流量24 m3/s，保证出力11.57 MW，年利用小时数5 110 h，年发电量2.45亿kWh。电站水库正常蓄水位1 090.00 m，设计洪水位1 084.60 m，校核洪水位1 088.85 m，电站正常蓄水位以下库容26万m3，调节库容21.2万m3。

工程区地处川滇南北构造带与四川盆地边缘北东方向构造带交接复合部位，主要断层构造均位于工程区外围。闸址区河流大致由西向东流，河谷两岸为不对称的“V”形，左岸地形陡峻，基岩裸露，坡度55°～70°，右岸地形缓，为基座阶地，阶地前缘坡高10.0 m，阶地后缘坡度30°～40°，为坡积物覆盖。闸址区河床宽20.0～30.0 m，水流湍急。闸址区构造成压扭性，层间错动，次级褶曲和小断层发育。

本工程属Ⅳ等工程，永久建筑物按4级设计，次要建筑物按5级设计。相应防洪标准，首部枢纽永久性建筑物按50年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核；厂区枢纽永久建筑物按30年一遇洪水设计、按100年一遇洪水校核。波罗水电站大坝为闸坝式结构，闸坝长129.6 m，最大闸高31 m。电站首部枢纽从左至右依次布置有左岸锚索边坡、进水闸(侧向布置在左岸)、泄洪闸(1、2、3号闸)、表孔闸(4号闸)、右岸挡水坝段及右岸护岸工程。

2　闸坝安全分析

2.1有限元模型

有限单元法是处理力学问题的一种数值方法，其实质是将复杂的连续体离散为有限多个简单的单元体，划无限自由度问题为有限自由度问题，将连续场函数的偏微分方程的求解问题转化成有限个参数的代数方程组求解问题。有限元可以用来求解线性静力学、非线性和动力问题[4-5]。用有限单元法计算水闸结构应力，充分考虑了结构和地基的整体，能计算复杂的边界条件和荷载情况下，闸体与地基的接触区以及地基的复杂地质结构等问题[6]。

依托四川马边县波罗水电站，利用ANSYS三维有限元计算分析软件，结合工程实际情况，建立各坝段三维有限元模型，研究波罗闸坝变形与应力。根据波罗水电站工程实际情况，采用非线性Drucker-Prager(D-P)本构模型[7-8]，建模时分别向闸基深度方向延伸3倍闸高，闸基上下游延伸2倍闸高，左右延伸2倍闸宽，充分考虑地基对波罗闸坝变形和应力分布特性的作用和影响。充分模拟各坝段的受力情况，并合理分析其约束条件，使数值模拟更加趋于真实可靠。分别对泄洪闸、表孔闸和右岸挡水坝段进行三维有限元模拟计算，坝体与基础网格采用8节点六面体SOLID45单元。

模型采用计算坐标系如下：

X轴，顺水流方向，正向指向下游；

Y轴，铅垂方向，正向铅垂向上；

Z轴，垂直于水流方向，正向指向右岸。

模型范围：泄洪闸坝段由3个闸室组成，其中靠近右岸的2个闸室连为一体，与靠近左岸的闸室用沉降缝分离。泄洪闸三维计算模型仅选取连为一体的2个闸室。模型边界基础四周和底面采用法向约束，结构顶部及四周采用自由边界。

根据SL263-2001《水闸设计规范》，结合实际情况，计算主要考虑的荷载如下：

(1) 结构及永久设备的自重；

(2) 相应于计算水位情况时水位以下底板上的水重；

(3) 相应于计算水位情况时的静水压力；

(4) 相应于计算水位情况时的扬压力。

选取的计算工况如下：

(1) 正常蓄水位工况，上游1 090.50 m，下游无水；

(2) 原正常蓄水位工况，上游水位1 090.00 m，下游无水；

(3) 校核洪水位工况，上游水位1 088.85 m，下游水位1 073.8 m；

(4) 设计洪水位工况，上游水位1 084.60 m，下游水位1 072.2 m。

2.1.1变形分析

由于泄洪闸和表孔闸结构上对称，右岸挡水坝除坝顶的储门槽布置靠右侧以外，总体可近似看为对称布置，故建立的计算模型是对称的。闸坝各坝段在Z轴向受力较小，可忽略不计。因此，位移计算结果仅提取X轴与Y轴方向上的位移。

经计算可知，总体上，泄洪闸、表孔闸以及右岸挡水坝在正常蓄水位、原正常蓄水位、校核洪水位、设计洪水位这4种工况下位移均较小，各坝段位移值均满足规范要求。对比分析正常蓄水位和原正常蓄水位工况下各坝段位移计算结果可知，正常蓄水位提高0.5 m之后，泄洪闸、表孔闸、右岸挡水坝顺河向位移最大值分别增加0.08 mm(4.2%)、0.05 mm(4.1%)、0.09 mm(18.8%)；竖向位移最大值分别增加0.02 mm(0.5%)、0.01 mm(0.3%)、-0.01 mm(-0.6%)。闸坝各坝段位移增加值和增加率均很小，几乎可忽略不计。正常蓄水位提高0.5 m后，泄洪闸闸室胸墙受力状态不发生改变，仅受力大小发生改变，胸墙顺河向位移最大值增加0.08 mm(4.2%)；竖直向位移增加0.02 mm(0.5%)，总体较小，因此对闸室胸墙位移几乎没有影响。

2.1.2应力分析

泄洪闸、表孔闸和右岸挡水坝在4种工况下，大、小主应力经计算结果可知：总体上，泄洪闸、表孔闸和右岸挡水坝在各工况下拉、压应力均较小。对比正常蓄水位工况与原正常蓄水位工况下应力计算结果可知：泄洪闸、表孔闸、右岸挡水坝最大压应力分别增加0.02 MPa(0.8%)、0.03 MPa(1.2%)、0.04 MPa(3.0%)；最大拉应力分别增加0.05 MPa(3.4%)、0.01 MPa(1.0%)、0.01 MPa(2.0%)。对应坝段应力增加值和增加幅度均较小，坝体应力状态是安全的。正常蓄水位提高0.5 m之后，泄洪闸闸室胸墙受力增加，与原正常蓄水位工况相比，胸墙拉应力最大值增加0.06 MPa(6.5%)；压应力最大值增加0.08 MPa(4.1%)，总体上较小，对闸室胸墙应力影响较小。

2.2地基承载能力分析

波罗水电站闸坝基础主要由砂岩组成，夹杂少量泥岩、砂质泥岩和泥灰岩，基础岩体相对较完整。根据坝址区岩石物理力学性质指标建议值，地基岩体饱和单轴抗压强度最低的为砂质泥岩，为5～8 MPa[9]。计算可知波罗水电站闸坝地基岩体的允许承载力超过1 MPa。

各工况下，各坝段基底应力均为压应力，正常蓄水位和原正常蓄水位工况下，各坝段最大基底应力几乎相等，可见，波罗水库正常蓄水位提高0.5 m后，几乎没有影响；而在4种工况下最大基底应力为0.63 MPa，小于地基允许承载力，满足规范要求，所以闸基是安全的。

2.3抗滑稳定分析

有限元方法计算闸室抗滑稳定安全系数可采用应力代数和比值法。可根据式(1)求得抗滑稳定安全系数。

(1)

式中：fi为摩擦系数；ci为凝聚力；σni为单元在滑动面上的正应力；τni为单元在滑动面上的切应力；Ai为单元在滑动面上的面积。

根据《水闸设计规范》[11]，岩基上沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数可采用抗剪强度公式计算。抗滑稳定安全系数应满足规范要求：基本组合≥1.05；特殊组合≥1.00[10-11]。

有限元计算结果表明，在各工况下，波罗水电站闸坝各坝段的抗滑稳定系数均满足规范要求，闸坝是稳定的。各坝段抗滑稳定安全系数随上游水位的增加而降低，整个闸坝在最高运行水位1 090.50 m工况下，抗滑稳定安全系数最小。采用规范推荐的抗剪强度公式对闸坝抗滑稳定进行核算，泄洪闸、表孔闸以及右岸挡水坝在正常蓄水位和原正常蓄水位工况下安全系数也均满足规范要求，提高正常蓄水位后，闸坝亦是稳定的。

3　大坝安全超高分析

波罗水电站原正常蓄水位为1 090.00 m，现提高至1 090.50 m，坝顶高程比现正常蓄水位高1.0 m。波罗电站库区多年平均最大风速为17.3 m/s；水库平均吹程为0.58 km；闸前水深20 m。

根据规范，闸(坝)顶高程不应低于水闸正常蓄水位(或最高挡水位)加波浪计算高度与相应安全超高值之和；波罗水电站闸坝最高挡水位时要求的安全超高下限值为0.3 m。

波浪计算高度由波浪爬高R和风壅水面高度e构成。波浪几何要素可采用官厅水库公式计算，经计算得：R=0.612 m；e=0.001 m，波浪计算高度为0.613 m，此时闸(坝)安全超高为0.387 m，大于要求的安全超高下限值0.3 m[12]。因此，波罗电站水库正常蓄水位提高后，坝顶高程仍满足规范要求。

4　水库运行方式分析

波罗水电站以发电为主，在保证电站大坝防洪安全的前提下，水库运行方式应该以最大限度利用水资源为原则进行设计，尽量减少弃水，增加发电量，从而创造更多的经济效益[13]。目前的水文水情预测预报技术手段和分析能力已经有了长足的进步，完全可以在留有一定余地的前提下减少弃水做到防患于未然。一刀切的调度方式既不科学，也不合理；从另外一方面讲，洪水是一种小概率事件，应积极探索风险调度先进方式[14-16]。根据多年统计，水电站枯水期和汛期闸前来水流量差异较大，因此分别对波罗水电站枯水期和汛期来水分析，确定其安全经济合理的水库运行方式。

枯水期为每年11、12、1、2、3和4月，期间来水流量较小，多小于电站引用流量，根据波罗水电站初设报告中波罗坝址历年平均流量计算成果以及电站运行期间坝址实测流量资料，枯水期坝址月平均流量为4～12 m3/s之间，期间出现的最大流量为104.5 m3/s，于2000年4月2日。表孔闸全开时，最大下泄流量为171.17 m3/s，可知枯水期仅通过调节表孔闸闸门即可保证水库安全运行。因此枯水期要求泄洪闸和表孔闸均关闭，维持水位于1 090.50 m运行。当来水流量大于电站引用流量时，水库水位呈上涨趋势，此时可开启表孔闸闸门下泄多余流量。若遇到突发洪水，可开启泄洪闸宣泄洪水。

汛期为每年5、6、7、8、9和10月。由于汛期闸前来水流量数值范围较大且为连续变化量，因此，可将来水流量合理划分，以区间表示，针对不同流量区间，制定不同的闸门开启方式。为保证大坝的安全，当预报来水流量达到250 m3/s时，认为洪水即将来临，河床流量将继续上涨，此时要求在洪水到达水库之前将水库水位降至汛期限制水位。根据预报流量拟定6种水库运行工况，见表1。

就波罗水电站而言，最危险的情况为预测流量从工况1对应的流量区间持续并急增进入工况6对应的流量区间，并继续增加至设计洪水流量或校核洪水流量，若此情况下，水库运行方式能保证大坝安全，则其它所述工况下闸坝也是安全的。最不利情况时，水库运行方式安全分析如下：

表1　汛期水库运行工况表

(1) 工况1

假定初始来水流量为20 m3/s，水库初始水位为1 090.50 m，且闸门均关闭。流量以最大增加速度28.6 m3/(s·min)匀速增加，水流速度取为6 m/s，水从上游河道流到波罗水库所需时间为12.5 min。根据实际运行经验，弧形闸门和平板闸门均采用匀速开启方式，闸门开度从0变为8 m均需时5 min。

(2) 工况2

当预报流量增加进入流量区间20～50 m3/s时，从最小值增至最大值需要时间为1.05 min(30/28.6=1.05 min)。表孔闸门由开度为0变为0.6 m，开启表孔闸门所需时间为0.375 min。水库水位将由1 090.50 m逐渐降至1 090.00 m。

(3) 工况3

当预报流量继续增加进入50～100 m3/s时，流量从最小值增至最大值需要1.75 min。当流量刚到达50 m3/s时，开启泄洪闸中孔闸门至开度为0.2 m，然后，继续开启表孔闸门从开度为0.6 m至2 m，将闸门开启至规定开度所需时间为1 min。水库水位将由1 090.00 m逐渐降至1 088.00 m。

(4) 工况4

当预报流量继续增加进入流量区间100～140 m3/s时，流量从最小值增加至最大值需要1.40 min。当流量刚到达100 m3/s时，继续开启泄洪闸中孔闸门至0.9 m，并保持表孔闸门开度为2 m，将闸门开启至规定开度所需时间为0.438 min。水库水位将由1 088.00 m逐渐降至1 087.00 m。

(5) 工况5

当预报流量继续增加进入流量区间140～250 m3/s时，流量从最小值增加至最大值需要3.85 min。流量刚到达140 m3/s时，继续开启泄洪闸中孔闸门至1.4 m，接着同时开启左、右泄洪闸开度至0.6 m，最后关闭表孔闸门。将闸门开启至规定开度所需时间为1.94 min。水库水位将由1 087.00 m逐渐降至1 086.00 m。

(6) 工况6

当预报流量继续增加至大于250 m3/s，同时开启左、右泄洪闸闸门至开度为1 m，水库水位将逐渐降至汛期限制水位1 085.00 m。此后，水库运行方式与原运行方式相同，可保证水库安全运行。

5　结　语

四川马边县波罗水电站拟提高水库正常蓄水位0.5 m，基于这一现状，结合工程实际情况，通过三维有限元模型计算，泄洪闸、表孔闸和右岸挡水坝在4种工况下位移、应力、地基承载力、抗滑稳定系数均满足规范要求，提高正常蓄水位0.5 m后闸坝是稳定的；新的水库运行方式分枯水期和汛期分别设计，枯水期，维持水库在正常蓄水位运行；汛期，在保证运行安全的前提下，根据水库来水流量设计不同的运行方式，尽量保证水库高水位运行。经过水力计算，提高正常蓄水位0.5 m后，波罗水电站坝(闸)顶高程仍满足规范要求。

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Analysis on Safety of Poluo Hydropower Station after Increase of Normal Storage Level

WANG Yazhou, LUO Wei, QI Wenbang

(Sichuan University, Chengdu610065,China)

Poluo Hydropower Station has been operating for 14 years. To utilize fully water resources and improve economic benefit, the normal storage level is proposed to increase by 0.5 m. Whether the gate dam can remain safety and stability after the increase of the normal storage level needs to be demonstrated. Therefore, 3D finite element models for dam sections of the gate dam are established. Deformation, stress, base stress and safety factor of stability against sliding of each dam section are calculated and analyzed. The dam crest elevation is checked through hydraulic calculation and the new reservoir operating mode is argued. The study shows that impact on the gate chamber displacement and stress is very slight after the normal storage level is increased as well as the safety operation of the reservoir still can be secured.Key words:gate dam; finite element analysis; normal storage level; deformation; stress; reservoir operation mode

1006—2610(2016)04—0030—05

2016-03-31

王亚洲(1992- )，男，河南省虞城县人，硕士研究生，研究方向为水利水电工程管理.

TV697.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.008