小塘水电站闸坝及桩基础的变形特性研究

邹海鸥，费文平，刘世伟

(四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

1 概述

水闸是水利工程中常用的一种具有挡水和泄水功能的水工建筑物。在西南地区常常遇到深厚覆盖层及在软弱地基上建闸的问题，由于这种地基承载能力较差，地基处理（桩基法）十分必要，并为确保水闸安全运行，闸室变形特性的分析也显得十分重要。

有限元数值分析方法是研究闸坝及桩基础的变形特性的常用方法。李吕英等[1]采用D-P 非线性弹塑性本构模型及ANSYS 三维有限元软件计算典型工况下三维应力场和位移场，分析结构的稳定性，揭示了双河水电站闸坝区应力分布情况及变形规律。朱银邦等[2]以牛栏江陡滩口水电站工程闸坝为例，对河床深覆盖层上修建桩基式闸坝这一结构形式进行了多工况三维渗流场和应力场分析。荣维志等[3]结合支持向量机模型建立了闸坝沉降变形的多元自回归方程，并结合闸坝沉降变形的现场监测数据对模型进行了验证。

不同桩长桩径桩间距对闸坝结构的稳定性有较大的影响。李洪江等[4]采用孔压静力触探测试p-y 曲线法构建了大直径超长灌注桩水平承载数值计算模型，研究了桩径尺寸效应、桩顶嵌固形式、桩身倾角、竖向载荷对大直径超长灌注桩的影响规律。樊继良等[5]借助有限元软件Plaxis，采用平面应变非线性塑性有限元法，研究了双排灌注桩围护结构的内力和变形特征，探讨了双排灌注桩不同结点处理方式以及前后排桩间距对双排灌注桩支护结构内力和变形的影响。

为了研究桩土界面的非线性行为，石振明等[6]通过有限元计算对钻孔灌注桩的整体成桩过程进行了数值模拟，对桩孔开挖、泥浆护壁、硬化成桩等过程进行了分析。俞轩等[7]基于ANSYS建立了桩土相互作用的本构模型，通过桩土界面的接触分析，得到了桩、土的弹性模量对桩基沉降的影响规律。

小塘水电站的闸坝地基承载条件较差，设计中采用440 根灌注桩（深入弱风化层）来承载，为进一步了解闸坝的变形与应力，以及各灌注桩的受力状态与变形，本文采用ANSYS 结构分析软件，模拟了小塘水电站闸坝及桩基础结构在完建及运行工况下闸坝及灌注桩基础整体变形及应力分布特征，评价了闸坝及桩基础的安全稳定性。

2 D-P 非线性弹塑性本构模型

Drucker-Prager 模型是一种简单的本构模型，广泛用于模拟岩土体及砼的非线性力学行为。下式为Drucker-Prager 屈服函数F 的表达式，其形状为空间圆锥面，为Mohr-Coulomb 屈服面的外接圆。

式中：α 和k 是材料常数；I1是应力张量的第一不变量；J2是应力偏张量的第二不变量；c是粘聚力；φ 是岩体材料内磨擦角。

3 小塘水电站闸坝有限元分析

3.1 工程概况

小塘水电站是南盘江干流中上游河段综合利用规划的梯级开发工程之一，根据南盘江干流中上游河段梯级综合开发规划成果，小塘梯级为糯租～大桥河段第八级梯级，上游与龙潭梯级相接。坝址区位于开远市区下游约25 km。小塘水电站是一座以发电为主的水电工程，坝址以上控制流域面积20172 km2，水库正常蓄水位1030 m，总库容为2967 万m3，电站装机容量52 MW，电站规模为中型水电工程，主要建筑物有重力坝、溢流坝和电站厂房。

坝基岩体工程地质初步分类：坝址三叠系上统鸟格组（T3n2）弱风化泥岩属CⅢ类岩体，弱风化粉砂岩属AⅢ类岩体。坝基岩体由强度差异较大的两种岩性组成，构成软硬相间的坝基岩体。小塘水电站平面布置图和纵剖面分别见图1和2。

图1 小塘水电站闸坝平面布置图

图2 小塘水电站闸坝纵剖面图

3.2 有限元计算范围及离散

以1#～4#闸坝及灌注桩地基作为整体，建立小塘闸坝的三维有限元模型。地基的模拟深度为100 m，向上游模拟至防渗铺盖起端，下游从消力池尾端再向下游延伸50 m。

在闸坝三维有限元分析中，为了消除边界对计算结果的影响，三维有限元模型所取的计算范围为-46.9 ≤X≤175.1，905≤Y≤上部结构实际高程，0≤Z≤72（4 个闸室坝段）。计算坐标系原点取在进口底板与坝纵0+0.0 交线上，X方向为沿水流方向从上游指向下游，以进口处为零点，Y 方向为铅直向上方向，以海拔零高程为零点，Z 方向为横河向（由4#指向1#）。采用三维实体单元，进行闸室及地基的三维弹塑性有限元分析。图3 为闸室及地基整体结构的三维有限元计算网格图，共246445 个单元，50429 个节点。图4 为灌注桩的三维有限元计算网格图，共8800 个单元，13200 个节点。计算时，将模型地基四周的铅直面和底部施加法向约束，结构临空面自由。

图3 闸室及地基整体结构三维有限元计算网格图

图4 灌注桩三维有限元计算网格图

3.3 计算工况及材料参数

闸室中墩、上游铺盖与闸室、下游消力池与闸室采用分缝处理，缝宽2 cm。

分两种工况进行模拟：①完建工况，上、下游无水。只计结构自重，无水压力作用。②运行工况，上游正常水位，下游基本无水。暂不考虑地震荷载。结构自重+上游正常水压力+扬压力，下游基本无水。计算静水压力时，水位取1030 m，最大作用水头25 m，计算静水压力为245250 Pa。计算底部扬压力时折减系数取0.3，得最大值为73575 Pa。将作用在闸门上的梯形分布水平换算到支座处均布压力为2764810 Pa。

将砼及岩体视为理想弹塑性材料，采用Drucker-Prager 屈服准则，材料参数按表1 取值。

表1 材料参数表

4 计算成果分析

4.1 完建工况下的应力场、位移场和塑性区

在完建工况下，绝大部分闸室结构和地基处于压应力状态。闸室结构的最大拉应力值为1.23 MPa，发生在闸室后部及消力池；最大压应力值为-7.98 MPa，发生在闸中墩下部。灌注桩的最大拉应力值为1.03 MPa，发生在后排桩的顶部；最大压应力值为-4.97 MPa，发生在中后排桩的底部。结构最大拉应力略小于砼的抗拉强度，而最大压应力值则远小于砼或地基的抗压强度。在闸室的底部、灌注桩的两端部位存在一定的应力集中现象，但应力量值均不高，灌注桩的应力分布比较均匀。

图5 闸室结构在完建工况下的σ1 等值云图

图6 灌注桩在完建工况下的σ1 等值云图

在完建工况下，闸室结构顺流向的最大位移发生在闸墩顶部及消力池边墙顶部，位移值为1.485 mm；竖向的最大位移发生在闸墩顶部下游侧，位移值为-6.029 mm；横流向的最大位移发生在消力池边墙顶部，位移值为-0.851 mm。灌注桩顺流向的最大位移发生在后排桩顶部，位移值为0.482 mm；竖向的最大位移发生在后排桩顶部左岸侧，位移值为-5.318 mm；横流向的最大位移发生在中间桩顶部，位移值为0.137 mm。可以看出，闸室结构和灌注桩的位移值总体不大，均在mm 级，主要的位移是其自重引起的竖向变形，顺流向和横流向的位移值较小。

图7 闸室结构在完建工况下的x 方向位移等值云图

图8 灌注桩在完建工况下的x 方向位移等值云图

在完建工况下，闸室结构中墩下部出现了极小范围的塑性屈服区，灌注桩未发生塑性屈服破坏现象。结构处于安全状态。

图9 闸室结构在完建工况下的塑性屈服区

4.2 运行工况下的应力场、位移场和塑性区

在运行工况下，绝大部分闸室结构和桩基础处于压应力状态。闸室结构的最大拉应力值为1.67 MPa，发生在闸墩与胸墙交汇处，最大压应力值为-17.2 MPa，发生在闸墩下部。灌注桩的最大拉应力值为1.34 MPa，发生在后排桩的顶部；最大压应力值为-5.61 MPa，发生在中排桩的底部。结构最大拉应力略小于砼的抗拉强度，而最大压应力值则小于砼的抗压强度。在闸室的底部、灌注桩的两端部位存在一定的应力集中现象，但应力量值均不高，灌注桩的应力分布比较均匀。

图10 闸室结构在运行工况下的σ1 等值云图

图11 灌注桩在运行工况下的σ1 等值云图

在运行工况下，闸室结构顺流向的最大位移发生在中墩闸门铰支座处，位移值为3.075 mm；竖向的最大位移发生在闸墩顶部上游侧，位移值为-6.642 mm；横流向的最大位移发生在闸墩顶部上游侧，位移值为-6.507 mm。灌注桩顺流向的最大位移发生在中后排桩顶部，位移值为2.05 mm；竖向的最大位移发生在中前排桩顶部，位移值为-5.886 mm；横流向的最大位移发生在两侧桩顶部，位移值为0.132 mm。可以看出，闸室结构和灌注桩的整体位移值较小，主要的位移是其自重引起的竖向变形，顺流向和横流向的位移值较小。

图12 闸室结构在运行工况下的x 方向位移等值云图

图13 灌注桩在运行工况下的x 方向位移等值云图

在运行工况下，闸室结构中墩下部出现了极小范围的塑性屈服区，而灌注桩未发生塑性屈服破坏现象。结构处于安全状态。

图14 闸室结构在运行工况下的塑性屈服区

5 结论与建议

通过对小塘水电站闸室结构及灌注桩整体三维模型的弹塑性有限元分析，可得出如下结论：

（1）按目前的结构形式，在完建工况和运行工况下，闸室结构和地基的大部分区域处于压应力状态，且处于弹性状态。

（2）闸室结构的最大拉应力为1.67 MPa，发生运行工况下的闸墩与胸墙交汇处，略小于砼的抗拉强度。最大压应力为-17.2 MPa，发生在运行工况下的闸墩下部，小于砼的抗压强度。灌注桩的最大拉应力为1.34 MPa，发生在运行工况下的后排桩的顶部，略小于砼的抗拉强度。最大压应力为-5.61 MPa，发生在运行工况下的中排桩的底部，远小于砼的抗压强度。

（3）闸室结构顺流向最大位移为3.075 mm，发生在运行工况下的中墩闸门铰支座处；竖向最大位移为-6.642 mm，发生在运行工况下的闸墩顶部上游侧；横流向的最大位移为-6.507 mm，发生在运行工况下的闸墩顶部上游侧。灌注桩顺流向最大位移为2.05 mm，发生在运行工况下的中后排桩顶部；竖向最大位移为-5.886 mm，发生在运行工况下的中前排桩顶部；横流向的最大位移为0.132 mm，发生在运行工况下的两侧桩顶部。

（4）综合以上（1）～（3），运行工况下的闸室结构和灌注桩的位移值和应力水平比完建工况下的明显增大。因此，运行工况为控制工况。

（5）从应力水平、位移量值及塑性屈服区分布情况可以得出，小塘水电站闸室及灌注桩整体结构是稳定的。但在闸室的底部、灌注桩的两端部位存在一定的应力集中现象，建议进行适当的加固处理。