河床式水电站厂泄连接坝段横缝止水布置研究

杜 威，王志宏，王占军

(长江勘测规划设计研究有限责任公司， 湖北 武汉 430010)

混凝土重力坝设置了横缝，各个坝段伸缩及沉降变形不相互约束，坝段稳定主要依靠单坝段自身稳定维持[1- 2]。常态混凝土坝的横缝间距(即坝段宽度)主要取决于坝基地形地质条件、坝体布置、结构工作条件、坝体断面尺寸、温度应力和施工条件等因素，一般为15～20m，超过24m时应作论证[3]。对于溢流坝段，除了自身稳定外，还需满足闸墩关键部位横向变形要求。合理的止水布置型式不但可以改善溢流坝段的应力变形，还可以减小坝段宽度，进而减小混凝土坝施工难度。目前厂泄连接坝段止水布置相关研究文献较少[4- 10]，设计时主要参考类似工程布置。本文对河床式水电站厂泄连接坝段不同横缝止水布置下的变形状况进行三维有限元计算对比分析，明确混凝土闸墩关键部位的变形规律以确定该坝段合适的宽度以及厂房侧止水较为合理的布置型式。

1 工程概况

某水电站位于金沙江四川攀枝花河段，为河床式水电站。河床布置最大坝高为73m的混凝土重力坝，右岸布置导流明渠，河床及左岸布置河床式电站厂房。其中6#坝段(溢流坝段)左临厂房4#机组段，由于边墩两侧止水位置不同，正常蓄水及表孔泄洪时，边墩两侧承受不平衡荷载作用，受力条件较为复杂，边墩侧向变形较大，可能影响闸门的正常运行。

2 有限元模型

由于6#溢流坝段左边墩两侧止水位置不同，正常蓄水及表孔泄洪时，边墩两侧承受不平衡荷载作用，边墩侧向变形较大，会影响闸门的正常运行，需根据三维有限元应力变形结果确定该坝段宽度。枢纽布置方案确定6#坝段为生态泄水孔坝段，右侧为泄洪表孔坝段，因此根据6#坝段及边墩宽度，本次计算共采用4个计算模型，如图1—4所示，其特性见表1。

表1 有限元计算模型特性

计算模型中X—顺流向(向下游为正)，Y—横河向(向左岸为正)，Z—竖直向(向上为正)。地基在上、下游及深度方向各延长1.5倍坝高。基础底面和侧面均取法向约束，混凝土坝段上下游面和两侧为自由面。

图1 计算模型一6#坝段及地基有限元网格

图2 计算模型二6#坝段及地基有限元网格

图3 计算模型三6#坝段及地基有限元网格

图4 计算模型四6#坝段及地基有限元网格

3 材料参数取值与荷载工况

3.1 材料参数取值

表2 计算参数表

3.2 荷载工况

厂房侧止水布置如图5所示。

根据运行期各项荷载组合情况，拟定正常蓄水位与校核洪水位两个典型工况。计算中考虑以下荷载。

(1)上、下游水压力：正常蓄水工况上游水位998.50m，下游水位979.28m；校核洪水工况上游水位1004.92m，下游水位1001.75m。

(2)生态泄水孔弧门推力：正常蓄水位时，弧门单侧推力标准值为8008kN，与水平方向夹角(仰角)28.33°。弧门支铰高程为997.00m。

(3)泄洪15m×23m表孔弧门推力：正常蓄水位时，弧门单侧推力标准值为27040kN，与水平方向夹角(仰角)30.92°。弧门支铰高程为995.00m。

(4)侧向水压力：如图6—9所示。校核洪水工况下，溢流堰侧水面线由水工模型试验得到。

4 计算结果及分析

参考国内已建工程经验，水电站表孔边墩厚度初步取8m，则6#坝段宽12.5m，有限元计算模型如图1所示。计算结果见表3。由计算结果可知，该计算方案下闸墩关键部位侧向变形偏大，在不增加边墩厚度的情况下，需增加整个坝段的宽度。

图5 厂房侧止水布置

图6 正常蓄水位工况边墩两侧的侧向水压力

图8 正常蓄水位工况中墩两侧的侧向水压力

图7 校核洪水位工况边墩两侧的侧向水压力

图9 校核洪水位工况中墩两侧的侧向水压力

结合枢纽布置方案，生态泄水孔与河床泄洪表孔中间不设横缝，则6#坝段宽度为30m。有限元计算模型如图2所示。计算结果见表3。由计算结果可知，方案5，即地基变形模量为8GPa，厂房侧下游止水底部高程951.25m，且河床泄洪表孔溢流堰右侧受到法向约束时，闸墩关键部位侧向变形基本满足要求。

为进一步验证边墩厚度减小后，闸墩关键部位侧向变形是否满足要求，建立了有限元计算模型，如图3所示，此模型的边墩厚度为6m。有限元计算计算结果见表3。由计算结果可知，方案9、10闸墩关键部位侧向变形偏大。

结合枢纽布置方案，为进一步验证6#坝段宽度增加后，闸墩关键部位侧向变形是否满足要求，建立了有限元计算模型，如图4所示，此模型的6#坝段宽度为32m。有限元计算结果见表3。由计算结果可知，虽然方案11—19部分止水方案下闸墩关键部位侧向变形基本满足要求，但相比较于方案5的止水方案，施工难度大，所以方案5的止水方案更优。即6#坝段宽30m，地基变形模量为8GPa，厂房侧下游止水底部高程951.25m，河床泄洪表孔溢流堰右侧受到法向约束。由于坎段较宽，为减小施工温控难度，拟争取如下措施：一是降低局部混凝土材料强度，6#坎段堰体内部采用C9015；二是该坝段中部采用施工缝或槽宽，后期进行接缝灌浆、回填等。

表3 闸墩关键部位侧向变形统计表 单位：mm

5 结语

6#坝段边墩两侧止水布置不同，边墩两侧承受不平衡水荷载作用时，侧向变形较大，可能影响闸门正常运行。根据该坝段宽度和止水布置位置不同，共确定了19个计算方案，对不同止水布置组合方案进行了三维有限元计算，并根据闸墩关键部位侧向变形确定了止水布置方案，计算结果表明：方案5，即6#坝段宽度为30m，厂房侧下游止水底部高程951.25m时，闸墩关键部位侧向变形基本满足要求。建议选择方案5作为6#坝段设计布置方案。需要指出的是，由于该坝段较宽，需采取一定的措施以减小施工温控难度，如降低局部混凝土材料强度、采用施工缝或宽槽等。

目前厂泄连接坝段止水布置相关研究文献较少，本文研究成果可为河床式水电站厂泄连接坝段横缝止水布置设计提供重要依据，但该成果未经工程实际运行检验。鉴于厂泄连接坝段结构型式复杂性，需结合工程实际运行情况进一步探讨横缝止水布置。