斯里兰卡某水电站碾压混凝土重力坝应力和变形分析

洪振权

(云南能投对外能源开发有限公司，云南 昆明 650228)

我国20世纪80年代初开始行进碾压混凝土重力坝技术的研究，并于1986年建成我国第一座碾压混凝重力坝。经过20多年的研究、实践，目前我国已经建成世界上最高的碾压混凝土重力坝，在碾压混凝土筑坝技术方面达到国际领先水平，在设计理论、防渗排水、温控防裂、层间结合、快速施工等方面均取得重大突破，已经形成了一套具有中国特色的碾压混土筑坝技术，使碾压混凝土重力坝发展成为最具有竞争力的坝型之一。

莫若嘎哈堪达水电站碾压混凝土重力坝复杂层状地基的特点，为了更好反应坝体与坝基的应力与变形分布规律，采用ADINA结构分析软件进行计算分析。

1 工程概况

莫若嘎哈堪达水电站位于安邦甘加河畔，斯里兰卡科伦坡东北部约190km处，位于中央省的东北部，靠近中央省东部省之间的省级行政区域界线。工程主要建筑物包括主坝、1#、2#副坝、水库、泄洪道建筑物、灌溉旁通通道建筑物、压力管道、坝后式地面厂房、上游副厂房等。主坝跨越安邦河，为粘土心墙土石坝，坝高63.5m，副坝为碾压混凝土重力坝，高56.5m。水库正常蓄水位为185.0m，相应库容为5.87亿m3。根据最新的发展，考虑采用卡卢甘加河引水设施，引水至莫若嘎哈堪达水库，设计引水排泄能力为32m3/s。利用增加排泄量的可用水头，建设两个立式混流式水轮机组，装机容量2×5MW，电站总装机容量为25MW。

2 计算模型

选取1#非溢流坝段为典型坝段，进行坝体和坝基进行分析，其基本数据见表1。1#非溢流坝段坝底高程132.3m，坝顶高程187.5m，坝高55.2m；坝宽39.41m；坝段长20m。

三维有限元模型建立时，坝体和坝基采用等参8节点实体单元。其中坝体采用线弹性材料，地基采用Mohr-coulomb材料。坝段计算范围为：上、下游方向地基分别取1.5倍坝基宽度，深度方向取1.5倍坝高。坐标选择为：x轴垂直纸面向外，y轴指向下游，z轴竖直向上。边界约束取为：地基四周法向链杆约束，底面为固定边界约束，溢流坝面采用法向链杆约束。

有限元网格图如图1—2所示，共划分单元11562个，节点14378个。其中坝体与地基采用3D-Solid单元，坝体根据混凝土材料的不同划分成2个分区，坝基根据岩层的走向分层建模，软弱结构面采用接触单元，上游的滑动面简化成经过坝踵和齿槽的一条软弱夹层，下游的剪出破裂面与水平线夹角为23°。计算工况为：

工况1：完建期(自重)

工况2：正常运行期(坝体自重+正常蓄水位+下游水位+淤沙压力+扬压力)

工况3：校核洪水工况(坝体自重+校核洪水位+下游水位+淤沙压力+扬压力)

表1 典型坝段基本数据

图1 典型坝段坝体与坝基网格图Ⅰ

图2 典型坝段坝体与坝基网格图Ⅱ

3 计算荷载与计算参数

3.1 主要计算荷载

(1)坝体自重。坝体混凝土为C25，容重为24kN/m3。

(2)特征水位。典型坝段大坝上、下游特征水位见表2。

表2 大坝上、下游特征水位

(3)淤沙压力。淤沙压力包括上游水平淤沙压力和上游面倾斜时作用在该面上的淤沙重量，坝前淤沙高程为147.5m。淤沙浮容重为3.82kN/m3，淤沙内摩擦角为20°。

(4)坝基扬压力。溢流坝段只设上游主帷幕及主排水。坝基扬压力如图3所示，图中H1、H2为上、下游特征水位；α为主排水孔扬压力折减系数，取0.30，a为主排水孔距坝踵的距离。

图3 坝基扬压力图形

3.2 计算参数

(1)坝体物理力学。典型坝段坝体混凝土为C25，弹性模量为22.5GPa，泊松比为0.167容重为24kN/m3。

(2)坝基岩体的物理力学参数见表3。

表3 坝区岩体力学参数参考值

4 坝体与坝基的应力和变形分析

典型坝段坝底高程132.3m，坝顶高程187.5m，坝高55.2m。上游正常蓄水位为185.0m，下游正常尾水位为139.0m。工况1～3的坝体与坝基关键点的位移和应力分别见表4—6。坝体与坝基关键点的示意图如图4所示。

表4 工况1(完建期)坝体与坝基关键点的位移和应力

表5 工况2(正常运行期)坝体与坝基关键点的位移和应力

图4 坝体与坝基关键点的示意图

位移正应力剪应力主应力节点号顺河向uy/cm竖向uz/cmσy/MPaσz/MPaτyz/MPaσ1/MPaσ3/MPaA0.32-0.26-0.15-2.35-0.620.01-2.51B0.59-0.360.00-0.020.000.00-0.02C0.59-0.410.00-0.030.000.00-0.03D0.52-0.40-0.11-0.580.16-0.05-0.63E0.30-0.35-2.11-1.130.95-0.26-2.69F0.25-0.28-0.990.170.060.18-0.99G0.29-0.28-0.82-0.710.59-0.17-1.36H0.30-0.31-0.28-0.310.460.17-0.75I0.28-0.30-1.28-1.140.83-0.37-2.05J0.29-0.31-0.59-0.960.19-0.24-1.04K0.31-0.34-0.70-0.970.49-0.17-1.34

5 结论

(1)完建期，在坝体自重作用下坝顶顺河向位移指向上游，竖向位移方向为竖直向下，坝踵和坝趾均处于受压应力状态，坝顶、坝踵、坝趾应力满足规范设计要求。

(2)正常运行期，坝顶顺河向位移指向下游，竖向位移方向为向下，坝踵竖向为压应力，顺河向为拉应力，坝趾竖向应力为压应力和主压应力，坝底附近地基应力在承载力容许范围内，满足设计要求。

(3)校核洪水工况下，坝顶顺河向位移指向下游，竖向位移方向为向下，坝踵竖向为压应力，顺河向存在拉应力，坝趾竖向为压应力；坝底附近地基应力在承载力容许范围内，满足设计要求。