色拉龙一级水电站溢流坝段三维有限元静力分析

冯天骏，陈 阳

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

重力坝是一种古老而迄今应用仍很广泛的坝型，因主要依靠自重维持稳定而得名。按照重力坝顶部是否泄放水流的条件，可分为溢流坝段和非溢流坝段[1]。溢流坝段既是挡水建筑物，也是泄水建筑物，其主要作用为挡水、泄洪，同时又要兼顾冲沙、排污、排漂及排冰等[2]，是重力坝的重要组成部分。

在国际工程中，业主和总承包商对投资造价的管控往往较为严格，对水工建筑物结构体型的设计优化要求较高。因此选择一个既满足结构和强度要求，又工程量最小、施工较为简单的结构体型，是重力坝设计过程中的重点和关键[3]。为节约工程成本，在色拉龙一级水电站设计过程中，对溢流坝段体型结构进行了大幅度的优化，在此前提下，应当更加全面地稳妥地对优化后的结构体型进行安全性稳定性的计算与论证。

本文通过三维有限元方法，对老挝色拉龙一级水电站溢流坝段优化后的结构体型进行了全面的仿真与计算，并根据计算结果，对溢流坝段结构体型的安全性、稳定性进行了分析与论证。

1 工程概述

老挝色拉龙一级水电站位于老挝中部的沙湾拿吉省色邦亨河的支流色拉龙河下游河段。坝址控制流域面积2 879 km2，坝址多年平均流量90.6 m3/s。水库正常蓄水位215.00 m，相应库容8.81亿m3，死水位206.00 m，调节库容2.84亿m3，具有年调节能力。电站的开发任务以发电为主，采用坝式开发。枢纽工程由混凝土挡水坝、溢流坝、引水发电系统、发电厂房及开关站组成，最大坝高64.5 m，额定水头46 m，最大引用流量171 m3/s，电站装机容量70 MW，安装2台混流式机组，年平均发电量为2.699亿kW·h。

色拉龙一级水电站溢流坝段共分3个坝段，各坝段长度分别为24 m、23 m、24 m，总长71 m。坝顶高程219.50 m，最低建基面高程155.00 m，最大坝高64.5 m，坝基底宽53 m，上游坝坡175.00 m高程以上为铅直面，以下为1：0.4斜坡。共布置4孔14 m×17 m的泄洪表孔，表孔堰顶高程198.00 m，堰面采用开敞式堰面曲线，顶部向上游悬出5.5 m。闸墩长度36 m，闸墩厚度3 m，表孔溢流坝同时作为排污通道参与水库排污。

2 计算模型和计算方案

2.1 计算模型

色拉龙一级水电站3个溢流坝段中(11号、12号、13号坝段)，11号、13号坝段体型完全相同，因此选取11号、12号两个坝段建立三维有限元模型分别进行计算。模型主要包括混凝土坝体上部结构，坝体下部垫层结构以及地基基础。

溢流坝段混凝土结构采用SOLID185单元。建模过程中，充分考虑了坝身两种不同类型混凝土的分区；突出了灌浆廊道、排水廊道、坝底泵房、集水井、边墙、检修闸门槽、边墙上支铰中心点、油缸支铰中心点以及工作闸门牛腿支墩等。在网格划分过程中，根据结构受力的特征，对网格的疏密程度加以控制，尽可能地在应力集中部位和主要构件上细化单元，以提高计算精度，在应力分布比较平缓或者受力较小的大体积混凝土部分，采用较大的网格，以降低计算工作量。

地基部分采用SOLID185单元，建模过程中充分考虑了地基三种不同岩体的分层。坝体底部与地基的作用较为复杂，二者之间传递压应力，而不传递拉应力；基底岩体间存在摩擦应力，因此选用无厚接触单元CONTA173和TARGE170来模拟地基与坝体之间的作用。计算中，将坝体底面设为刚性目标面，将地基与坝体接触面设为柔性接触面。法向接触力只有压力，切向接触条件为库伦摩擦模型。

11号溢流坝段整体单元总数60 519个，节点总数66 930个；12号溢流坝段整体单元总数57 891个，节点总数63 755个。计算模型如图1～6所示。

图1 11号溢流坝段整体有限元模型

图2 12号溢流坝段整体有限元模型

图3 11号溢流坝段坝体结构有限元模型

图4 12号溢流坝段坝体结构有限元模型

图5 坝体内部集水井及泵房细部结构

图6 闸墩上牛腿支墩细部结构

2.2 计算参数与计算荷载

根据计算工况及相应的荷载组合，需要考虑的计算荷载有：自重、静水压力、淤沙压力、泄洪时的动水压力、扬压力(浮托力和渗透压力)、地震荷载等。本工程结构设计按照中国国内相关规范进行设计，各项荷载按《水工混凝土建筑物设计规范》(DL/T 5077-1997)以及《水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047-2015)进行考虑并施加到相应的部位。

根据特征水位表(见表1)，将静水压力按照分布面力的形式加载在特征水位线以下的结构作用面上。当工作闸门和检修闸门关闭时，还要考虑传递给门槽或者牛腿支墩的静水压力值。坝基底面扬压力考虑帷幕灌浆和廊道排水，渗透压力强度系数取0.25。浮托力大小按下游水位计算。

表1 色拉龙一级水电站水库特征水位

色拉龙一级水电站工程等别为二等，工程规模为大(Ⅱ)型，挡水泄水建筑物为二级壅水建筑物，工程抗震设防类别为乙等。根据中国国家地震局地质研究所《世界活动构造、核电站、高坝和地震烈度分布图》分析，工程区地震基本烈度小于Ⅵ度。相应的地震动峰值加速度为0.05 g。根据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047-2015)1.0.2条规定“设计烈度为Ⅵ度时，可不进行抗震计算，但仍应按本规范适当采取抗震措施”。出于对结构安全性和稳定性的考虑，实际计算中仍然进行地震工况的计算，地震峰值加速度为0.07 g，计算采用拟静力法，在顺水流向和垂直水流向分别加载相应的地震峰值加速度，以验证地震工况下结构的稳定性和安全性。

选取的工况及相应的荷载如表2所示。

表2 计算工况组合

3 计算结果与分析

3.1 位移成果分析

根据各工况下的位移计算成果，顺水流方向上，溢流坝段主体结构的最大位移都发生在坝顶。基础面顺河向位移较小，最大位移在1～2 mm范围内；垂直水流方向上除地震工况外，坝体整体结构未见较大的位移或者变形。地震工况下，受垂直水流方向地震荷载作用，坝体上出现了一定的位移，位移最大值为11.522 mm，在可控范围内。12号坝段的右侧闸边墩受单侧闸门荷载以及过流动水压力的作用，在垂直水流方向出现了一定的位移，但位移值仍在控制范围内；竖直方向上，坝体的位移沉降在5～8 mm内，发生在坝底坝趾处。总体而言，溢流坝段在各工况下均未出现较为明显的变形和位移，上游基础底面未见脱开，整体结构未出现滑移或倾覆，位移和变形均在可控范围内。各个工况下溢流坝段结构各向位移见表3～4。各典型工况下位移云图如图7～8所示。

表3 11号溢流坝段计算工况及位移极值

表4 12号溢流坝段计算工况及位移极值

图7 正常蓄水位工况下11号坝段顺水流向位移云图(单位：m) 图8 正常蓄水位工况下12号坝段顺水流向位移云图(单位：m)

3.2 应力成果分析

根据各工况下溢流坝段应力计算结果可知：溢流坝段流道边墙上支墩牛腿以及液压启闭机点处，出现了较大的拉应力集中。最大拉应力出现在校核洪水位工况(工作闸门开启瞬间)，主要由于闸门启动瞬间，闸门支铰点在原有的荷载基础上，对牛腿支墩还将产生额外的惯性力作用。

12号溢流坝右侧闸墩受单侧闸门荷载以及过流动水压力的作用，右侧闸门的与坝体之间交界处存在一定的拉应力集中。

坝踵处的灌浆排水廊道在完建未挡水工况下出现了一定的拉应力集中，拉应力最大值为0.91 MPa。其余运行期各工况下该部位所受拉应力很小，在0.2～0.4 MPa之间。

总体而言，溢流坝体结构所受压应力都在允许范围内；部分结构存在一定的拉应力集中，但通过配筋即可满足要求；对于最为关心的坝体上游面，未出现大范围的拉应力集中。根据应力分布计算所得的单宽配筋建议值如表5所示。典型工况下应力云图如图9～10所示。

图9 地震工况下11号坝段第一主应力云图(单位：MPa) 图10 地震工况下12号坝段第一主应力云图(单位：MPa)

表5 配筋结果计算汇总

4 结 语

通过对色拉龙一级水电站两个溢流坝段整体应力位移的计算分析可知，除局部位置出现拉应力集中外，溢流坝段整体应力与位移在合理可控范围内。经过大幅度优化的溢流坝段坝体结构，既减小了工程量，降低了投资，也满足了相关结构的稳定性、安全性的要求，同时，设计安全可靠，优化合理明显，符合相关规范的要求。经有限元计算所得的单宽配筋建议值，较传统结构力学法计算所得的配筋参数更为精确合理，对工程的施工具有实际的指导意义。