新疆吉尔格勒德水利枢纽工程坝体应力变形计算分析

肖 兵

（新疆水利水电项目管理有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

随着水利工程建设的高速发展,我国在建的混凝土重力坝的结构体型也越来越复杂且形式多样,因挡水坝高度不同,出现了不同程度的坝体与坝后建筑物的功能叠合区,因叠合区结构重叠程度的不同,对坝体应力的影响以及应受到的重视程度也不同[1]。本文针对新疆吉尔格勒德水利枢纽工程坝体应力变形进行计算分析。

1 工程概况

吉尔格勒德水利枢纽工程位于天山北坡经济带的西端“金三角城市经济圈”的乌苏市境内,东距新疆首府乌鲁木齐市310 km,距乌苏市60 km。枢纽工程位于四棵树河上游中山区河段上,属于典型的大陆性干旱气候区：四季气温悬殊,干燥少雨,冬夏季长而春秋季短,气温年较差大,春季升温快,秋季降温迅速等。吉勒德水文站多年平均气温6.7℃,多年平均降水量262.2 mm,多年平均蒸发量1018.0 mm。水库功能以灌溉、工业供水为主,兼顾防洪、发电。是四棵树河当地水资源合理利用与配置的重要控制性水利枢纽工程。选定水库坝址位于四棵树河与九巴勒贝其尔沟汇合口上游约1 km处,下距四棵树河吉勒德水文站14.5 km,水文站断面多年平均年径流量3.043 亿m3,坝址多年平均控制径流量2.932 亿m3。

2 坝体应力变形计算

2.1 计算方法简述

网格剖分充分考虑坝址地形条件和大坝材料分区,参照大坝各典型断面剖面图,建立三维有限元数值分析模型。模型底部取到弱风化层,上下游侧取约1倍坝高作为上下游截断边界,坝轴线方向取到两岸基岩作为边界。模型上下游侧施加法向约束,基岩面施加三个方向约束。有限元模型共剖分73976 个单元,80315 个节点（见图1）。混凝土防渗墙与覆盖层间设置接触单元。

图1 模型示意图

2.2 计算模型和参数

本次坝体应力变形分析,堆石料的本构模型以沈珠江院士提出的“南水”双屈服面弹塑性模型为主,该型与非线性弹性模型相比,堆石体的剪胀和剪缩特性可较为真实地反映坝体应力应变性状。混凝土结构采用线弹性模型,其应力应变关系符合下列广义虎克定律。混凝土防渗墙标号为C35,按线弹性模型考虑,其弹性模量、泊松比和密度分别为E=31.5 GPa, =0.167,ρ=2.45 g/cm3。混凝土基座标号为C25,按线弹性模型考虑,其弹性模量、泊松比和密度分别为E=28 GPa, =0.167,ρ=2.45 g/cm3。强风化基岩亦按线弹性模型考虑,其弹性模量、泊松比和密度分别为E=2.97 GPa,=0.167,ρ=2.7 g/cm3。坝料及河床覆盖层静力计算参数根据试验成果选取,薄层单元、泥皮单元和沉渣单元参数根据文献资料选取,最后采用的计算参数见表1。

表1 邓肯模型（E-B）参数表

2.3 坝体应力变形计算成果

图9~图20为工程竣工期与蓄水期静力分析结果及防渗体系变形和应力示意图。可知,坝体最大断面沉降和顺河向位移分布等值线图,最大沉降为47.2 cm,最大顺河向位移为15.7 cm（指向上游）和13.0 cm（指向下游）,竣工期坝体沉降和顺河向位移基本对称。

图2 最大断面竣工期沉降分布等值线图(单位：cm)

图9 混凝土基座竣工期小主应力分布云图(单位：kPa，拉为正)

图20 竣工期蓄水期心墙接头部位(局部)应力水平等值线图

沥青混凝土心墙最大竖向应变为4.1%,为压缩应变；最大顺河向应变2.4%,为膨胀应变,坝轴向应变均较小。

沥青混凝土心墙竣工期应力水平分布最大应力水平为0.83,发生在心墙底部与混凝凝土基座连接位置附近。

混凝土基座大小主应力竣工期混凝土基座最大拉应力为3.17 MPa,最大压应力为21.14 MPa。

（1）静力分析成果（竣工期）

图3 最大断面竣工期顺河向分布等值线图(单位：cm)

图4 大坝纵向竣工期竖向应变等值线图(%，负值表示压缩应变)

图5 大坝纵向竣工期顺河向应变等值线图(%，正值表示膨胀应变)

图6 大坝纵向竣工期坝轴向应变等值线图(%，正值表示膨胀应变)

图7 大坝纵向竣工期应力水平分布等值线图

图8 混凝土基座竣工期大主应力分布云图(单位：kPa，拉为正)

（2）静力分析成果（蓄水期）

图10 最大断面蓄水期沉降分布等值线图(单位：cm)

图11 最大断面蓄水期顺河向位移分布等值线图(单位：cm)

图12 大坝纵向蓄水期竖向应变等值线图(%，负值表示压缩应变)

图13 大坝纵向蓄水期顺河向应变等值线图(%，正值表示膨胀应变)

图14 大坝纵向蓄水期坝轴向应变等值线图(%，正值表示膨胀应变)

图15 大坝纵向蓄水期应力水平分布等值线图

图16 混凝土基座蓄水期大主应力分布云图(单位：kPa，拉为正)

图17 混凝土基座竣工期小主应力分布云图(单位：kPa，拉为正)

（3）防渗体系变形和应力

图18 防渗体系(心墙及防渗墙)竣工期和蓄水期顺河向位移和沉降分布曲线(单位：cm)

图19 竣工期、蓄水期心墙接头部位(局部)顺河向应变等值线图(%，压为正)

由上图汇总坝体应力变形结果见表2。

表2 坝体应力变形计算成果表

2.4 成果分析

（1）竣工期坝体顺河向变形基本对称,蓄水导致坝体指向上游侧位移减小,指向下游侧变形增大。

（2）在未考虑湿化和流变情况下,蓄水期坝体沉降略小于竣工期沉降,坝体受水的浮托,略有上抬。

（3）竣工期和蓄水期沥青混凝土心墙顺河向、竖向以及坝轴线方向应变不大,在心墙允许应变范围内；心墙应力水平整体不高,绝大部分心墙的应力水平均不超过0.5,仅在心墙与防渗墙连接位置出现较高的应力水平。据此可判断心墙在竣工期和蓄水期是安全的。

（4）沥青混凝土心墙竣工期和蓄水期的均在0.3~0.5 之间,满足规范要求,心墙不会产生过量的体变而失稳；心墙竖向应力大于水压力,不会产生水力劈裂。

（5）混凝土基座在竣工期出现较大拉应力,应引起重视,压应力在C25 混凝土允许范围内。

（6）防渗墙在竣工期和蓄水期坝轴线和竖向应力基本为压应力,仅两岸边界处很小范围内出现拉应力,是边界效应导致的计算失真所致。防渗墙最大压应力略超过C35 混凝土的允许范围,蓄水期最大压应力有所减小。

3 结语

吉尔格勒德水库修好后,利用水库调蓄洪水,削减洪峰,平原区的堤防等工程设施的防洪能力由10年可提高到50年。通过修建吉尔格勒德水库削减河道的洪峰流量,进一步减小下游河段的洪灾损失。吉尔格勒德水利枢纽工程是四棵树河具有调节水量、防洪、进一步开发水能资源等综合利用效益的关键性水利枢纽工程,是四棵树河结合艾比湖生态保护工程—精奎干渠外调水量,合理利用当地与外调水资源量的重要控制性水利枢纽工程。兴建吉尔格勒德水利枢纽工程,可保证各业用水、充分发挥综合利用效益,有力促进流域的发展和繁荣,不断提高流域各族人民的生活水平,将使流域社会更加和谐。