白鹤滩拱坝施工期坝前回填分析研究

张 石，郭传科，王建新，顾锦健

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 概述

白鹤滩水电站枢纽由拦河坝、泄洪消能设施、引水发电系统等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m，坝顶厚度14.0 m。白鹤滩工程为一等大（1）型工程，工程规模巨大，挡水、泄洪、引水发电等主要建筑物均按1 级建筑物设计[1]。

为改善白鹤滩坝体施工期运行条件和保护上游坝面，加强基坑上游基岩裂隙保护，避免上游围堰拆除及基坑进水过程对大坝上游面造成破坏和损伤，在上游围堰拆除前，对白鹤滩大坝上游高程600 m 以下基坑进行清基回填处理。大坝坝前回填区左岸、右岸及河床高程575 m 以下为玄武岩地基，岩性包括第一类柱状节理玄武岩、角砾熔岩、块状玄武岩[2]，岩质坚硬，岩石饱和单轴抗压强度在74 MPa 以上，承载力可满足要求。河床回填区高程575 m 以上地基为围堰堰体，下部为冲积砂卵砾石，可以作为回填渣体的地基。本文利用大型三维有限元ANSYS 软件对白鹤滩拱坝施工期不同浇筑高程坝前回填组合工况下的拱坝应力状态进行分析。

2 施工期坝前回填目的

白鹤滩大坝上游施工期回填区域主要为上游围堰与大坝间高程600 m 以下范围，主要包括混凝土回填坝前底部集水坑，靠近坝面2 m 的范围采用保护料（最大粒径不超过2 mm）回填，其余部位采用石渣料及细砂料进行回填。坝前回填的主要作用为：

（1）蓄水后有利于提高坝踵区上游坝面温度，改善运行期坝体应力。根据工程相关研究结果可知，考虑坝前淤沙后的地热传导作用，坝前库底水温能明显提高，进而提高坝踵部位坝体温度。

（2）坝踵前一定范围岩体由细颗粒覆盖，在形成渗流场时，细颗粒带入近坝区岩体裂隙，能起到封堵作用，改善拱坝蓄水后上游坡面及河床坝基的渗流条件[3]。针对坝前多条断层、错动带，相互连通性好，通过填筑细颗粒封闭，可巩固坝基的防渗效果，延长渗径，对坝基的稳定有一定的加强作用。

（3）通过在600 m 高程以下预先施加回填压力，蓄水前基坑充水后可提供上游面水压效果，对改善拱坝倒悬应力有利。

（4）施工期的及时回填，可封闭开挖基岩面，回填混凝土可改善大坝上游河床坝基柱状节理玄武岩的卸荷松弛回弹变形。

3 坝前回填对大坝的受力影响分析

3.1 单坝段悬臂状态受力影响分析

3.1.1 计算条件

为研究合适的回填时机，并兼顾白鹤滩大坝蓄水要求，结合大坝施工进度安排，分别按照大坝浇筑至高程650 m、682 m、703 m 三个不同高程分析回填施工对拱坝应力状态的影响，研究主要工况如下：

工况1：仅考虑梁向自重；

工况2：考虑梁向自重及坝前回填至高程600 m。

工况3：考虑梁向自重、坝前回填至高程600 m 及蓄水至600 m。

选取18 坝段（拱冠梁坝段）为典型坝段，并考虑基础灌浆廊道及排水廊道影响，建立有限元模型见图1，计算采用的力学参数见表1。

图1 有限元模型计算网格

表1 主要材料力学参数

3.1.2 计算结果

各工况下坝体特征应力值见表2，廊道顶拱应力见表3，浇筑高程682 m 及703 m 廊道部位的应力分布云图见图2～图4。

表2 各工况下坝体特征应力值（单位：MPa）

表3 各工况下廊道顶拱第一主应力（单位：MPa）

由表2 可以看出，大坝在三个不同浇筑高程下，上游回填对坝踵竖向最大压应力极值分别由9.16 MPa、12.6 MPa、14.7 MPa 减小到7.44 MPa、11.2 MPa、13.3 MPa；坝趾竖向最大压应力极值分别由1.82 MPa、1.55 MPa、1.36 MPa 增大到3.01 MPa、2.73 MPa、2.55 MPa。

不同浇筑高程下坝前回填及蓄水的两种工况下对坝体施工期自重产生的应力具有一定的改善作用，主要体现在坝踵压应力减小，坝趾压应力有所增加，进而减小拱坝倒悬的不利影响。

由表3 及图2～图4 分析基础廊道周围拉应力情况可以看出，回填前拱坝处于悬臂倒悬状态，廊道顶拱均为受拉状态，当考虑坝前填渣作用后，廊道顶拱拉应力得到明显改善。

图2 工况①廊道顶拱第一主应力（单位：Pa）

图3 工况②廊道顶拱第一主应力（单位：Pa）

图4 工况③廊道顶拱第一主应力（单位：Pa）

3.2 拱坝施工期整体有限元应力分析

3.2.1 计算条件

计算选取白鹤滩大坝施工期实际施工进度情况：拱坝最大浇筑高程682 m，封拱灌浆至高程610 m。计算中模拟拱坝浇筑过程，考虑梁效应-拱效应对拱坝自重应力的影响，即封拱灌浆前拱坝荷载由梁承担，封拱后拱坝荷载由拱梁同时承担，以此真实模拟拱坝自重荷载，研究主要工况如下：

工况1：仅考虑梁向自重；

工况2：考虑梁向自重及坝前回填至高程600 m；

工况3：考虑梁向自重、坝前回填至高程600 m 及蓄水至600 m。

拱坝三维有限元计算模型采用八节点六面体等参单元剖分，沿坝高方向单元按3 m 一层控制，沿坝厚方向划分6层单元，拱坝划分单元总数为80036，节点总数为97156。拱坝整体模型见图5，计算采用的力学参数见表1。

图5 拱坝整体模型

3.2.2 计算结果

选取最高坝段19# 坝段的计算成果进行分析，计算结果见表4，应力分布云图见图6～图8，其中图中坝段上缘为封拱灌浆完成高程，即610 m。

表4 各工况下坝体特征应力值（单位：MPa）

图6 19#坝段工况①应力分布（单位：Pa）

图7 19#坝段工况②应力分布（单位：Pa）

图8 19#坝段工况③应力分布（单位：Pa）

坝前石渣回填前，在拱坝自重作用下该坝段竖向受压，其中坝踵竖向压应力达到约12.3 MPa，坝趾竖向压应力为1.17 MPa；从主拉应力分布看，除坝踵拉应力集中外，580 m 高程以上区域坝体出现拉应力，最大拉应力约0.19 MPa，其中下游面拉应力出现在590 m 高程附近，坝趾未出现拉应力；最大主压应力出现在坝踵，约13.5 MPa，坝趾最大主压应力约1.47 MPa。

坝前回填石渣后，拱坝竖向受压，坝踵竖向压应力得到改善，减小约0.5MPa，坝趾竖向压应力基本保持不变；从主拉应力分布看，该坝段拉应力区域较石渣回填前有所减小，拉应力值也有所降低，最大拉应力约0.13 MPa，下游面及坝趾未出现拉应力；坝踵最大主压应力减小约0.9 MPa，坝趾最大主压应力增大约0.12 MPa。

进一步蓄水后，拱坝竖向仍受压，其中坝踵竖向压应力约11.7 MPa，坝趾竖向压应力为1.18 MPa；从主拉应力分布看，该坝段拉应力区域较蓄水前进一步减小，但减小幅度有限，最大拉应力约0.12 MPa，下游面及坝趾未出现拉应力；坝踵及坝趾最大主压应力相较蓄水前变化不大。

从拱坝整体三维有限元计算分析结果看，当拱坝最大浇筑高度达到682 m 并完成高程610 m 封拱灌浆的情况下，坝前回填石渣及蓄水至600 m 高程能够改善坝踵及坝趾受力条件，降低施工期坝体拉应力范围及拉应力极值。

4 结语

本文从白鹤滩拱坝二维单坝段悬臂状态及三维施工期整体状态，分析得到白鹤滩拱坝施工期不同浇筑高程坝前回填组合工况下的拱坝应力状态，主要结论及建议如下：

（1）坝前回填使得坝踵前一定范围岩体由细颗粒覆盖，针对坝前多条断层、错动带，相互连通性好，通过填筑细颗粒封闭，可巩固坝基的防渗效果，延长渗径，对坝基的稳定有一定的加强作用。

（2）对浇筑过程中回填对大坝的受力影响计算分析，坝前回填及蓄水的两种工况下对坝体施工期自重产生的应力具有一定的改善作用，主要体现在坝踵压应力减小，坝趾压应力有所增加，减小拱坝倒悬的不利影响。同时可改善廊道顶拱拉应力水平。

（3）根据分析成果，从施工期坝体应力情况看，宜尽早开展坝前回填施工，对于相似工程具有一定参考价值。

（4）坝前回填非临时措施，而是永久措施，回填前应按规定执行工程相关验收，满足规范及设计的相关要求。