高悬臂厂坝导墙单侧挡水工况下的抗滑稳定性分析

杨 锦，尚高增，陈海坤，李社凤，罗璨璨，张建海

(1.四川大学 水利水电学院, 四川 成都 610065；2.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司 成都分院，四川 成都 610091)

在水工大坝建筑物施工运营周期内，一般需设置导流结构物用以引导水流方向便于在施工期形成无水的施工环境和在运营期形成更大水头。在施工期间常出现导墙一侧导流过水一侧施工开挖的悬臂单侧受力情况[1-3]，导墙在此极端受力条件下的应力极值和抗滑安全稳定性是工程安全关键点。本文以某航电枢纽工程为例，重点研究该工程在施工期高悬臂单侧受力工况下的抗滑安全稳定性。并为类似工程提供参考。

该航电枢纽位于岷江流域，设计总装机容量480 MW。枢纽主要建筑物采用一字型布置如图1所示，从左至右依次为：左岸重力坝段、鱼道挡洪闸坝段、厂房坝段、泄洪闸坝段、船闸坝段、右岸接头重力坝段，坝顶总长961.07 m，坝顶高程为324.50 m。

图1 平面布置图

如图2(b)所示，厂坝导墙位于厂房与泄洪闸之间，顺河布置，垂直于闸轴线，起于泄洪闸第1孔边墩下游侧坝纵0+040.00 m，延伸至坝纵0+280.00 m，共240 m。消力池段为坝纵0+040.00 m至坝纵0+135.00 m，墙顶从起始的321.50 m高程按1∶6的坡度过渡到316.00 m高程导墙型式为“L”形，墙顶厚4 m，墙底高程与泄洪闸侧底板相同，翼缘宽度21 m，翼缘末端设齿槽。导墙底板与消力池底板连接形成整体，与厂房侧设置结构缝。在施工导流期，厂坝导墙单侧高水位挡水，厂房侧开挖至底板建基面高程时，厂坝导墙最大悬臂达49.00 m。

1 抗滑安全系数计算研究

如图2所示，厂坝导墙在截面上与重力坝形式相近，主要依靠自身重力维持安全稳定[4-8]。对重力坝的抗滑稳定性计算，按照刚体极限平衡法[9-13]确定抗滑安全系数。

(1)

式中：c、f为抗剪强度参数，对滑动面上所有微元阻滑应力按面积积分为阻滑力Fz，对滑面上所有微元滑动应力按面积积分为滑动力FH，阻滑力与滑动力的比值为整体抗滑安全系数。

(2)

式(2)由一点的应力状态可计算得到该点在任何方向上的点抗滑安全系数[14]，当滑动面上所有点的点安全系数均大于1.0时，认为滑动面是稳定的[15]。在有限元计算中，可以得到每个单元的应力分量，按式(1)、式(2)可计算沿任何滑动面的整体抗滑稳定安全系数和点抗滑稳定安全系数。

图2 计算模型

2 计算模型与方案

如图2所示，为准确得到厂坝导墙的力学行为，本次计算研究选取1#—4#闸门坝段+9#厂房进行整体三维有限元计算。选定坐标系统，x轴由上游指向下游，包含坝纵0-67.8 m至坝纵0+184.8 m，以闸墩上游拐点为x轴原点；y轴沿横河向，由右岸指向左岸，包含坝横0+309.28 m至坝横0+418.08 m，以厂坝结构缝位置为y轴原点；z轴铅直向上，从建基面向下延伸60 m，取高程212.5 m及以上，z轴原点取在高程0.00 m处。按照设计提供图纸，对地基基础和上部坝体结构建立了详细三维模型，地基分为强风化基岩、弱风化基岩和微新基岩三部分；坝体结构包括底板、闸墩、顶板、闸门、门槽、上游导墙、厂坝导墙、机组间、副厂房、引水段、尾水段、进人孔、电梯井、厂房排架和结构缝等，全部采用八节点六面体单元及其退化单元，共计剖分节点829 145个、单元882 767个。闸门与门槽、垫板之间设置接触对，受压时贴合，受拉时分离，只传递压力不传递拉力。结构缝采用一层0.02 m厚的薄单元模拟，缝单元与周围单元仍是共节点连接，通过设置为软而轻的缝材料表现其特性。

为研究厂坝导墙在施工运营周期内的抗滑安全稳定性，设计表1的计算方案。正常运行工况计算工程建成后正常蓄水位持久状态下的厂坝导墙应力位移响应与稳定性，非常运行工况计算流域汛期达到校核洪水位时的偶然状态下的应力位移响应与稳定性，施工期工况计算在施工导流期间，泄洪闸坝段导流，厂房侧开挖至建基面，导墙单侧挡水的短暂状态下的应力位移响应与安全稳定性。

表1 计算方案布置

对“正常运行”与“非常运行”工况即采用图2(a)所示网格模型，两工况在水位与荷载施加上变化。“施工期”工况采用模型不包含厂房侧结构，如图2(b)所示。

3 计算参数

坝趾处河床分布2 m～5 m厚的冲积砂卵石，坝基以薄层状结构泥岩为主，约占90%，岩体裂隙呈轻度发育至不发育，多呈闭合状，岩体多较完整。本次计算按照表2所列参数计算。坝体主要使用C25混凝土，特殊位置使用其他标号混凝土。不同标号混凝土之间，泊松比和密度设置为相同，弹性模量随标号变化，如闸墩采用C30混凝土，弹性模量为30.0 GPa；底板表层采用C40混凝土，弹性模量为32.5 GPa；上游导墙采用C15混凝土，弹性模量为22.0 GPa。

表2 岩体物理力学参数表

岩体与防渗帷幕采用莫尔-库仑塑性模型，混凝土采用线弹性模型。在大型通用有限元计算软件ABAQUS中完成计算分析。

4 各工况下厂坝导墙应力位移响应

表3列出3种工况下位移应力的极值及出现的位置。图3—图7所示为厂坝导墙在“非常运行”工况和“施工期”工况下顺河向位移、横河向位移、竖向位移、第一主应力和第三主应力分布情况，图中U1即Ux为顺河向位移，U2即Uy为横河向位移，U3即Uz为竖向位移，应力以拉为正，压为负。对比分析可以看到：

(1) 如图3所示，顺河向位移在导墙齿槽处达到向下游最大值。“施工期”工况下顺河向位移最大值为0.589 mm与“运行期”顺河向位移最大值0.570 mm基本一致，向下游位移。

(2) 横河向位移在导墙中上段顶部达到正向(向厂房侧)最大值，“施工期”工况下横河向位移最大值为8.688 mm(如图4(b)所示)远大于“运行期”工况横河向位移最大值1.235 mm，向厂房侧位移。

(3) 如图5所示，竖向位移在导墙上端顶部达到竖向位移最大值，“施工期”工况下竖向位移最大值为-6.859 mm比“运行期”工况竖向位移最大值-7.832 mm稍小，铅直向下位移。

(4) “运行期”厂坝导墙的第一主应力(拉应力)量值较小，最大值为0.373 MPa，出现在导墙迎水面上游段底部。“施工期”厂坝导墙的第一主应力远大于“运行期”，最大值为2.136 MPa(如图6(b)所示)，出现在导墙迎水面齿槽上方与消力池衔接处，且在导墙与消力池连接处出现一条明显的带状拉应力区。

表3 各工况下位移应力极值

图3 运行期与施工期工况下顺河向位移(单位：m)

图4 运行期与施工期工况下横河向位移(单位：m)

图5 运行期与施工期工况下竖向位移(单位：m)

图6 运行期与施工期工况下第一主应力(单位：MPa)

(5) 如图7所示， “运行期”厂坝导墙的第三主应力(压应力)量值一致，最大值为-1.146 MPa，出现在导墙背水面齿槽。“施工期”厂坝导墙的第三主应力远大于“运行期”，最大值为-2.929 MPa，仍出现在导墙背水面齿槽。

5 厂坝导墙稳定性分析

分别沿导墙中段最大横河向位移处(x=0+92.9 m)轴线A及导墙下游段过最大拉应力处(x=0+128.0 m)轴线B提取导墙应力(轴线位置如图2(a)示意)，以此两条线表征整体。绘制两条线上的横河向位移、第一主应力、第三主应力沿高程分布如图8所示。由图中可明显看到：

(1) 横河向位移沿高程线性分布，随高程的增加位移增加；“施工期”工况下的横河向位移远大于“运行期”工况；A轴线上位移比B轴线位移大。

(2) “运行期”工况第一主应力无极值出现，“施工期”工况第一主应力在高程296 m处达到最大值2.136 MPa；B轴线上第一主应力比A轴线量值大。

(3) “运行期”工况第三主应力在高程296 m处达到最大值，“施工期”工况第三主应力在高程296 m处量值较小，甚至反号。

在底板沿横河向延长上述轴线，并沿线提取应力值，绘制导墙及消力池底板上的应力随位置分布图，如图9(a)。按式(2)计算两线上各点的点抗滑安全系数，并绘制点安全系数随位置分布如图8(b)。按式(1)计算两线上的整体抗滑安全系数。

图7 运行期与施工期工况下第三主应力(单位：MPa)

图8 线上位移和应力随高程分布

图9 底板应力和抗滑点安全系数随y坐标分布

可以看到：

(1) 特征线上竖向应力除y=-15 m附近少部分(即1#坝段坝缝)外都小于0，处在压实状态。

(2)抗滑点安全系数随y坐标减小而减小，并随轮廓线变化。在y=-15 m(即1#坝段坝缝)和y=-25 m(即轮廓变截面处)安全系数最小。

(3) 轴线A抗滑稳定安全系数为5.98，轴线B抗滑稳定安全系数为6.04。

6 结 论

(1) 厂坝导墙在单侧挡水的“施工期”工况下的应力和位移响应远大于双侧挡水的“运行期”工况，“施工期”工况横河向位移最大值为8.688 mm ，是“运行期”横河向位移最大值1.235 mm的7.0倍；“施工期”工况第一主应力最大值为2.136 MPa ，出现在导墙迎水面中下段齿槽上方，是“运行期”第一主应力最大值0.373 MPa的5.7倍；“施工期”工况第三主应力最大值为-2.929 MPa，出现在导墙背水面齿槽处，是“运行期”第三主应力最大值-1.146 MPa的2.6倍。

(2) 厂坝导墙在“运营期”工况下位移应力均满足设计要求；在“施工期”工况下的拉应力最大值为2.136 MPa，应对该拉应力区进行局部加强配筋；导墙及消力池底板上竖向应力均小于0，处在压实状态，无倾覆危险。导墙抗滑安全系数约在5.98，抗滑安全性好，满足设计要求。