白鹤滩拱坝坝后消能建筑物谷幅变形适应性研究

2022-03-21胡若轩徐建荣彭育赵兰浩

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2022年6期

胡若轩, 徐建荣, 彭育, 赵兰浩

(1.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098; 2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州 311122)

对于高坝工程,坝址地质条件复杂,受开挖卸载、地下水位升降等因素的影响,两岸岩体物理力学特性和边坡变形状态可能发生变化,导致库岸向河谷中心收缩变形,产生“谷幅收缩”现象[1-3]。

国内已建成的锦屏一级拱坝、溪洛渡拱坝、李家峡拱坝等都出现了不同程度的谷幅收缩现象,对大坝及坝后消能建筑物的安全运行带来较大困扰[4-7]。对此,刘有志等[8]、杨强等[9]、CHENG L等[10]对高拱坝谷幅收缩变形的成因和机制进行了研究分析,结果表明,裂隙水压力改变两岸岩体平衡状态是一重要因素。此外,刘有志等[11]、钟大宁等[12]采用数值模拟方法分析谷幅收缩条件下高拱坝的应力状态,后者还将不同模拟方法得到的结果进行对比,结果表明,在一定程度的谷幅收缩条件下拱坝仍然处于安全状态。

白鹤滩拱坝下游消能建筑物包括反拱型水垫塘和二道坝,一定程度的谷幅收缩可能导致其变形破坏,从而影响枢纽工程的整体安全运行。白鹤滩反拱型水垫塘和二道坝采取设置弹性结构缝的方式适应谷幅收缩,缝内填充三元乙丙橡胶板,但尚未见其效果的定量分析研究。鉴于此,本文借助边界位移法模拟谷幅收缩,采用有限单元法计算得到不同谷幅变形量条件下反拱型水垫塘和二道坝的位移和应力状态,并考虑不同结构缝类型,以分析谷幅收缩变形对消能建筑物的影响以及弹性结构缝的设置对于消能建筑物适应谷幅收缩变形的作用,以便为今后工程实践提供参考。

1 模拟谷幅收缩变形的边界位移法

由于蓄水初期两岸边坡的变形场无法被准确模拟预测,一些学者采用边界位移法来间接模拟谷幅收缩变形的作用[13-15]。该方法利用已知的位移条件来取代部分边界约束,让边界产生相应的位移来模拟谷幅收缩变形。

本次研究中,分别给有限元模型左、右岸施加三角形分布的单位位移荷载,如图1所示,得反拱型水垫塘底高程556 m处变形值为u1和顶高程635 m处变形值u′1;再施加相反的三角形分布的单位位移荷载,得反拱型水垫塘底高程556 m处变形值为u2和顶高程635 m处变形值u′2。可得方程：

图1 边界位移法模拟谷幅变形示意图

(1)

式中:ul、uh分别为反拱型水垫塘底高程处和顶高程处预估的谷幅收缩变形值;x、y均为待求解的系数。

确定预估谷幅收缩变形值后可解得未知系数x、y。将两个单位位移荷载乘上对应的系数后叠加,即可得到所需的边界位移。通过此方法可以得到沿着反拱型水垫塘顶高程到底高程近似三角形分布的谷幅变形值。

2 有限元模型

2.1 有限元网格

为准确反映白鹤滩拱坝下游反拱型水垫塘、二道坝与两岸边坡的相互作用,采用大范围、小单元精细化网格进行模拟。本次研究不包含拱坝,因此整体模型中反拱型水垫塘的建模范围可只用一部分。建模时考虑反拱型水垫塘及二道坝的变形协调性,地基按均质岩体假定。二道坝上游水垫塘、下游山体各取90 m范围,左、右岸也随着坝体两端延伸90 m。深度方向地基向下取90 m范围,向上高程取至658 m,高出水垫塘顶高程23 m。反拱型水垫塘共设置3条顺河向结构缝,分别位于左、右岸606 m高程马道和左岸边墙与拱座连接处,二道坝9个坝段共10条顺河向结构缝,有限元模型如图2所示,z轴正向竖直向上,x轴正向指向上游,y轴正向指向右岸。弹性结构缝如图3所示。模型全部采用8节点6面体单元,结构缝无缝宽时模型共有99 595个节点,89 048个单元;设置弹性结构缝时模型共有110 406个节点,100 246个单元。

图2 白鹤滩拱坝反拱型水垫塘及二道坝有限元模型

图3 弹性结构缝示意图

2.2 材料参数

有限元计算主要用到3种材料,消能建筑物采用混凝土材料,地基主要为Ⅲ2类的玄武岩和角砾熔岩,弹性结构缝内填充三元乙丙橡胶板。各材料参数见表1。

表1 材料参数表

3 结果分析与对比

参考类似工程谷幅收缩变形预估值,本研究模拟的变形按照水垫塘底高程556 m处谷幅变形值0 mm,635 m顶高程处谷幅变形值分别为30、40、50 mm的三角形分布,中间高程位置变形内插计算。计算中水垫塘考虑无水检修工况和满水工况,每种工况下结构缝分为无缝宽情况和缝宽分别为1、2、4 cm的弹性结构缝情况。

3.1 结构缝无缝宽条件下计算结果

假定水垫塘和二道坝顺河向结构缝无缝宽,缝两侧仅传递法向力和摩擦力,利用边界位移法模拟谷幅收缩可得到白鹤滩拱坝坝后消能建筑物的静力响应。

3.1.1 位移响应

不同工况下白鹤滩拱坝坝后消能建筑物的最大位移见表2,位移云图见图4和图5。由于反拱型水垫塘右岸较左岸更陡,受谷幅收缩影响较大,故消能建筑物最大横河向位移发生在水垫塘右岸顶部,最大沉降发生在中间5号坝段的上游面附近。

表2 不同工况下白鹤滩拱坝坝后消能建筑物最大位移

图4 无水工况谷幅变形量30 mm时白鹤滩拱坝坝后消能建筑物位移云图(缝宽0 cm)

图5 满水工况谷幅变形量30 mm时白鹤滩拱坝坝后消能建筑物位移云图(缝宽0 cm)

无水工况下水垫塘的位移如图6所示。由图6可知,白鹤滩拱坝坝后消能建筑物最大变形量随着谷幅变形量的增加而增大,水垫塘横河向位移由中间向两端增加,两端拱座处沉降量较大。在静水压力的作用下,满水工况的最大位移大于无水检修工况的最大位移。

图6 无水工况水垫塘位移

3.1.2 应力响应

不同工况下白鹤滩拱坝坝后消能建筑物最不利应力响应见表3,应力云图见图7。

表3 不同工况下白鹤滩坝后消能建筑物应力特征值(缝宽0 cm)

图7 无水工况谷幅变形量30 mm时白鹤滩拱坝坝后消能建筑物应力云图(缝宽0 cm)

在谷幅收缩的作用下,由于水垫塘和二道坝变形不完全协调,在水垫塘与两端坝体连接处会产生较大的拉应力。此外,两岸的马道上也会产生略大的拉应力。消能建筑物的最大压应力出现在两端坝体与地基的连接处,这是因为两端坝体受谷幅收缩影响较大,而且与地基的接触面较小。在水垫塘上,反拱底板拱端处以及两岸水垫塘的折坡处会产生较大的压应力。此外,在结构缝两侧变位差较大处部分点会产生应力集中现象。随着谷幅变形量的增加,消能建筑物的应力响应随之增大,且在静水压力的作用下,由于水压力的作用方向与谷幅收缩变形的方向相反,故满水工况下结构的应力比无水工况条件下的应力略小一些,因此可以在二道坝上游保持适当的高水位以降低谷幅收缩产生的不利影响。

3.2 弹性结构缝情况下的计算结果分析

为研究设置弹性结构缝是否有助于白鹤滩拱坝坝后消能建筑物适应谷幅收缩,按照设计要求将原本无缝宽的结构缝分别设置为1、2、4 cm缝宽的弹性结构缝,缝内填充三元乙丙橡胶板,计算其静力响应并将不同缝宽的结果进行对比。

3.2.1 位移结果分析

以2 cm缝宽为例,消能建筑物的最大位移如图8所示。反拱型水垫塘和二道坝的位移规律与结构缝无缝宽情况的规律相同,最大位移发生位置也相同。

图8 白鹤滩拱坝坝后消能建筑物最大位移(缝宽2 cm)

谷幅变形量为40 mm时,不同缝宽条件下白鹤滩拱坝坝后消能建筑物的最大位移如图9所示。由图9可知,随着结构缝缝宽的增加,消能建筑物的最大竖直向位移也随之略微增加。

图9 白鹤滩拱坝坝后消能建筑物最大位移值对比(谷幅变形量40 mm)

3.2.2 应力结果分析

以2 cm缝宽为例,白鹤滩拱坝坝后消能建筑物的应力特征值见表4,应力云图见图10和图11。将无缝宽的结构缝变为弹性结构缝后,消能建筑物的应力分布规律与之前基本相似,水垫塘与两端坝段连接处也会产生拉应力集中区。对于压应力而言,水垫塘反拱底板右拱端和两岸坝肩会产生压应力集中区,应力变化规律与无缝宽情况时相同。

表4 白鹤滩拱坝坝后消能建筑物应力特征值(缝宽2 cm)

图10 无水工况谷幅变形量30 mm时白鹤滩拱坝坝后消能建筑物应力云图(缝宽2 cm)

图11 满水工况谷幅变形量30 mm时白鹤滩拱坝坝后消能建筑物应力云图(缝宽2 cm)

选取谷幅变形量40 mm时不同缝宽条件下消能建筑物的第一主应力、第三主应力、结构缝两侧的剪应力和正应力进行对比,结果如图12和图13所示。由图12和图13可知,设置弹性结构缝之后,白鹤滩拱坝坝后消能建筑物的应力状态有所改善。水垫塘与两端坝段连接处的拉应力明显降低,这是由于弹性结构缝材料的弹性模量较小,水垫塘和二道坝因变形而产生的拉应力减小,且弹性结构缝宽度越大,拉应力越小。对于两岸坝肩处的压应力,由于弹性结构缝垂直于压应力的方向,故此处压应力水平显著降低。结构缝两侧的正应力和剪应力也明显降低,结构缝周围的应力状况改善。在计算的缝宽中,弹性结构缝缝宽越大,应力改善效果越明显。对于水垫塘底板右拱端处的压应力,由于弹性结构缝距离该处较远,故影响不大。