面板堆石坝坝身溢洪道应力变形及安全稳定分析

陈云雀，景霞娟，李玉芬，雷文娟

(1.浙江省水利水电技术咨询中心，浙江 杭州 310020；2.长江职业学院，湖北 武汉 430074)

1 概述

溢洪道作为水库防洪设施，在泄洪时起着保护大坝安全的重要作用，一旦失事，后果十分严重[1]。比如最近发生的美国奥罗维尔(Oroville)大坝险情，更让世人清楚地认识到了溢洪道的重要性，作为美国最高水坝(最大坝高234m)，大坝溢洪道在泄洪时出现了一个长61m、深9m的大洞，大量洪水溢出，近19万居民被迫紧急大撤离[2-4]，社会影响巨大。对于溢流式面板堆石坝，因其显著的特点正日益受到国内外坝工界的重视[5]，如新疆榆树沟水库CFRD工程[6]、浙江丽水大弈坑面板堆石坝[7]、新疆保尔德面板堆石坝[8]、桐柏抽水蓄能电站面板堆石坝[9]等。坝身溢洪道修建在以松散介质为材料、人工碾压填筑的堆石体上，同时又经受高速水流作用，如果失事，其后果将比岸边式溢洪道严重得多。

因此，下面以白河沟水利工程为例，利用ADINA有限元软件对坝身溢洪道的应力变形特点和结构安全性进行研究。

2 工程概况

白河沟水利枢纽[10-11]位于盘县西部平关镇，由拦河坝、泄洪建筑物、输水建筑物等组成。水库正常蓄水位为1840.00m，正常蓄水位以下库容为1400万m3，设计洪水位为1841.09m，相应库容为1530万m3，校核洪水位为1842.26m，总库容为1670万m3。工程等别为III等，主要建筑物级别为3级。

拦河坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高60.4m(坝顶高程为1844.4m)，坝顶宽8m，坝顶长195m，坝体上下游边坡均为1∶1.4，下游坝面设置1级马道。坝顶溢洪道布置于面板堆石坝上，位于坝体左坝段，溢洪道中心线桩号为横左0+019.500，由溢流堰进口段、泄槽、挑流鼻坎组成。进口段设2孔，每孔净宽15m，中间设1m中墩。溢流堰采用驼峰堰，堰顶高程为1840m，堰上不设闸门。溢流前沿净宽30m，全长103.257m。泄槽由3段组成，坡比依次为1∶1.4、1∶4和1∶1.4。挑流鼻坎以下为C15混凝土基础。溢洪道结构如图1所示。

图1 溢洪道结构设计图(横左0+019.500)

3 计算模型及参数

坝身溢洪道结构复杂，加上分缝较多，在进行大坝整体有限元分析时，由于保证坝身溢洪道应力计算精度的建模和网格剖分难度较大，为确保溢洪道处应力变形状态真实可靠，本文采用子模型技术来分析坝身溢洪道的应力变形情况。

3.1 计算模型

整体有限元模型范围为：坝体左右岸分别向外延伸30m，上游面向上游延伸30m，下游面向下游延伸40m，坝底最低点向下延伸40m至1741m高程。模型按照实际体型建模，单元数共计23959个，如图2所示。

图2 整体有限元模型(下游视图)

坝身溢洪道有限元子模型包括溢流堰进口段、泄槽、挑流鼻坎以及溢流面以下C15混凝土、垫层区、过渡区、部分堆石体、部分地基等。子模型单元数共计23799个，如图3所示。

图3 坝身溢洪道子模型

3.2 计算参数

堆石体、垫层材料采用非线性弹性模型的邓肯E-B模型[12-14]；而面板和溢洪道材料都是混凝土材料，计算时采用线弹性模型计算；地基材料也采用线弹性模型；溢洪道结构缝采用有厚度接触单元[15-16]模拟。计算参数见表1—4。

表1 坝料Ducan E-B模型计算参数表

表2 地基材料参数

表3 混凝土材料参数

表4 有厚度接触单元计算参数

4 计算结果分析

本次应用子模型技术进行了坝身溢洪道有限元分析，拟了解泄洪工况下溢洪道应力变形情况、混凝土底板应力变形规律和溢洪道底板结构缝的变形形态，同时考虑增大泄水产生的动水压力(3倍动水压力工况)，分析扩大动水压力后对溢洪道的影响。

4.1 溢洪道轴线剖面应力变形

溢洪道铅直沉降主要集中在堰顶段和泄槽Ⅰ处，轴线剖面位置的最大沉降发生在堰顶底部堆石处(基本在5cm左右)，而泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ区域基本没有沉降发生，主要原因为泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ修建在基岩上。当增大溢洪道泄洪产生的动水压力值时，溢洪道的铅直沉降及下游向位移极值基本没有变化，溢洪道泄水产生的动水压力扩大3倍后，对顺河向的位移影响不大。

溢洪道小主应力(拉应力)较小，但在溢洪道堰顶上游侧底板与面板交界处出现了应力集中，泄洪工况为1.53MPa左右的拉应力，在超动水压力(3倍动水压力)作用下，应力集中情况有所加剧，但是影响并不显著，交界处的应力极值为1.55MPa，仍在许可范围内。大主应力(压应力)极值明显大于铅直向应力极值，水库泄水作用对压应力增幅明显，应力极值发生在泄槽Ⅰ中段底板处，主要原因为泄水作用使泄槽Ⅰ区中部为增压区。当增大溢洪道泄洪产生的动水压力值时，压应力极值明显增大，可见，动水压力对溢洪道压应力影响较大。泄水工况及3倍动水压力工况下溢洪道轴向剖面应力变形极值见表5。

表5 溢洪道轴向剖面应力变形极值表

4.2 溢洪道底板应力变形

与堆石坝整体模型在溢洪道轴线剖面位置的变形相比，整个溢洪道子模型的位移变形都比较小，而溢洪道底板的位移变形更小，为毫米量级。经分析，溢洪道底板的位移变形主要为沉降位移和顺河向位移，沉降位移基本发生在堰顶段和泄槽Ⅰ段，泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ段基本为零，这与溢洪道的布置相关；顺河向位移基本为下游向位移，自堰顶到挑坎依次减小。泄水工况及3倍动水压力工况下，溢洪道底板位移变形基本相同，仅泄槽Ⅰ段的沉降位移相对于泄水期稍有增大，见表6。由表6可见，增大泄水水压力对溢洪道位移变形影响不大，不会影响溢洪道正常工作。

表6 溢洪道底板位移变形极值表 单位：mm

溢洪道底板的应力情况与溢洪道子模型的应力量级上相差不是很大，拉应力和压应力值在堰顶段和泄槽Ⅰ区域较大，但在泄槽Ⅱ区和泄槽Ⅲ区数值很小。增大泄洪动水压力对底板拉应力的增大基本没有影响，但会增大底板的压应力值，本文采用3倍动水压力，压应力值增大不是很明显，见表7。可见，在3倍动水压力作用下不会对溢洪道造成强度破坏。

表7 溢洪道底板应力极值表 单位：MPa

4.3 溢洪道结构缝变形

本次分析的溢洪道结构复杂，结构缝的设置较多，有Ⅰ类横缝、Ⅰ类纵缝、Ⅱ类横缝和Ⅱ类纵缝，如图4所示。整个面板堆石坝最大坝高为60.4m，属于中低坝，而溢洪道修建在坝体左岸堆石体和下游地基上，变形量很小。同时，溢洪道底板下有C15混凝土或地基，且底板重力较小，另外，本次计算中未考虑堆石体后期沉降和流变等因素影响，此溢洪道的结构缝变形很小。

图4 坝身溢洪道分缝示意图

4.4 溢洪道底板的抗滑稳定性

通过溢洪道底板的应力变形分析可知，泄水过程中，溢洪道底板应力变形主要发生在溢洪道堰顶段和泄槽Ⅰ区域，泄槽Ⅱ和泄槽Ⅲ区域的应力变形量都很小，且后两个区域的泄槽底板坡度较小且都修建在基岩上，底板的稳定性有保证。泄槽Ⅰ段的底板坡度为1∶1.4，坡度较大，且修建在人工碾压堆石上，其稳定性有待考究。而堰顶段布置在坝顶，为弧形结构，从结构上看一般不会发生滑动。可见，白河沟溢洪道底板的稳定性主要取决于泄槽Ⅰ段底板的稳定性。

经抗剪断摩擦公式计算，在未考虑钢筋的锚固力时，泄槽Ⅰ段底板抗滑稳定安全系数均小于1，不能满足溢洪道的抗滑稳定要求。泄槽Ⅰ段的底板坡度较陡，矩形底板不易稳定，在实际施工中要采用加固措施，如设置混凝土锚梁等，以确保溢洪道的正常运行。

5 结语

溢流式面板堆石坝的溢洪道应力变形及结构稳定性十分重要，能否较好的解决这个问题直接影响着大坝的安全运行。本文以白河沟工程为例，分析了溢洪道轴线剖面、底板、结构缝的应力变形情况以及溢洪道底板的抗滑稳定性。经分析可知，泄水产生的动水压力会对坝身溢洪道的沉降位移和主压应力带来一定影响，对顺河向位移和主拉应力影响不显著；面板堆石坝坝身溢洪道会在上游底板与面板的交界处出现应力集中现象，主要表现为拉应力，在设计时应予重视；为确保坝身溢洪道底板的抗滑稳定性，施工过程中要注意混凝土锚固钢筋等加固措施的设置。