新疆錾高水电站覆盖层上泄洪冲沙闸三维有限元沉降变形计算分析

邓理想，吴俊杰

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着经济发展步伐的加快以及响应“一带一路”政策，近年来新疆水利工程建设进展迅猛，深厚覆盖层上修建的水闸工作也逐年增多[1]。然而，复杂的不良地基条件给水利水电工程建设带来了一定的困难[2]。本工程位于新疆叶尔羌河道，上游段下坂底河床段覆盖层厚度达到了150m[3]，中段的阿尔塔什水利枢纽工程坝址区覆盖层达到了94m[4]，整条河道覆盖层一般深达也在40～70m，这种复杂的不良地基条件给工程建设带来了一定的困难，由于深厚覆盖层的不均匀性[5]，工程的各结构之间的结构缝不均匀沉降如果控制不好，导致结构缝变形过大，使得止水失效，最终可能产生渗透破坏[6- 9]。据统计近40年，由于深厚覆盖层上建筑物变形控制不当导致失事的水闸和大坝，约占失事工程的25%，另据不完全统计，国外建于软基及覆盖层上的水工建筑物，约有一半事故是由于坝基渗透破坏、沉陷太大或滑动等因素导致的[10- 13]。因此，河道段深厚覆盖层上建筑物的变形控制成为目前设计阶段研究内容重要部分。对南疆莎车县脱贫工作起到积极推进作用的錾高水电站工程来说，安全运行显得更加重要[14]。根据规范要求[15]要求，认为天然土质地基上的闸室最大沉降量不宜超过15cm，最大沉降差不宜超过5cm。特别要注意的是，在永久缝中所采用的止水结构，要能满足在发生相应沉降差时仍能保证止水完好的要求。本文建立泄洪冲砂闸、连接板、防渗墙、护坦的三维有限元计算模型，覆盖层静力本构采用邓肯张E-B模型，研究闸室与连接板的剪切变形量以及水闸沉降变形情况[16- 23]。

1 工程概况

錾高水电站是叶尔羌河干流阿尔塔什以下河段水电规划梯级开发中的第1级电站，为引水式电站，其上游为阿尔塔什水利枢纽，下游为恰木萨水电站。錾高水电站位于新疆喀什地区莎车县霍什拉甫乡境内，拦河枢纽距厂房9km，厂房距莎车县约97km。目前工程区右岸沿现有道路可达莎车县霍什拉甫乡，霍什拉甫乡现有道路与卡群水电站连接可至莎车县、泽普县；工程区左岸利用甘加特沟道路可达阿尔塔什进场道路，可至莎车县；左右岸施工对外交通比较便利。

水库正常蓄水位1611m，正常蓄水位相应库容1656.1万m3，死水位1608m，死库容1045.1万m3，调节库容611万m3，压力前池正常水位1608.0m，电站总装机容量185MW，多年平均年发电量5.653亿kW·h，装机年利用小时数3054h，其中主电站装机容量180MW，多年平均年发电量5.25亿kW·h，发电设计流量375.6m3/s；生态电站装机容量5MW，多年平均年发电量0.4亿kW·h，下泄生态流量41m3/s。工程等别为Ⅲ等工程，工程规模为中型。

拦河引水枢纽挡泄水建筑物洪水标准按50年一遇(P=2%、洪峰流量Q=4339m3/s)设计，500年一遇(P=0.2%、洪峰流量Q=5746m3/s)校核。主电站发电厂房按100年一遇(P=1%、洪峰流量Q=5265m3/s)设计，200年一遇(P=0.5%、洪峰流量Q=5657m3/s)校核。引水渠及渠系防洪建筑物工程按30年一遇(P=3.33%)设计，100年一遇(P=1%)校核。

工程地震设防烈度为Ⅷ度，工程抗震设防类别为丙类。泄洪冲沙闸的主要任务是：①泄洪，保证拦河引水枢纽运行安全；②冲沙，确保发电引水闸和生态电站进水口门前清。布置桩号坝0+344.88m—坝0+456.58m，坝0+519.20m—坝0+533.00m。进口底板高程1595.00m，河床平均底高程为1594.5m，略高于河床底高程0.5m，以利于汛期泄洪冲沙。发电引水闸底板高程为1602.8m，生态电站进水口底板高程为1600.0m，泄洪冲沙闸底板高程较发电引水闸底板高程低7.8m，较生态电站进水口底板高程低5m，可有效防止推移质泥沙进入各引水建筑物，利于“门前清”。且在汛期还可以泄洪排沙，保证水库反调节库容要求。

泄洪冲沙闸共设20孔胸墙式水闸，孔口尺寸4.0m×4.0m(宽×高)。坝0+344.88m—坝0+456.58m段共布置18孔，采用三孔一连的结构长度为18.6m，共分为6个结构段。坝0+519.20m—坝0+533.00m段布置2孔。闸进口底板高程1595.00m，闸顶高程1614.30m。考虑闸门启闭空间及闸墩顶部交通等因素，闸室长度取21m，为C25、F300钢筋混凝土结构，底板厚2.0m，中墩厚1.8m，三孔一连闸室边墩厚1.5m，两孔一连闸室边墩厚2.0m工程防渗系统大样如图1所示。

2 泄洪冲砂闸结构

泄洪冲沙闸位于拦河坝上，闸底板高程为1595.00m，闸顶高程为1614.30m，共20孔，每孔设一道检修闸门槽和一道工作闸门。检修闸门：闸门采用下游面板，下游封水型式，悬臂轮支承，双吊点，吊点距为3.34m。闸门门叶结构材料采用Q235C，埋件结构材料采用Q235B，主轮材料采用ZG310- 570。工作闸门：孔口尺寸4m×4m，设计水头16m。设有1扇直支臂球型铰弧形钢闸门，闸门面板曲率半径为8m，支铰高度5.6m。门叶结构和支臂材料采用Q235C；铰链、铰座材料选用ZG310- 570，铰轴直径φ180mm，材料为40Cr，轴承采用GEW240HFZB053- 2RS自润滑球面滑动轴承。闸门顶水封采用一道“P”型橡皮和一道转铰式水封，其中转铰式水封设在门楣上，另一道设在门叶上。侧水封采用“P”型方头橡皮，侧向设有自润滑导向滑块。闸门门叶结构按运输单元分节制造，运至工地后在现场拼焊成整体。埋件结构材料采用Q235C。闸门动水启闭，避开振动区控制开度运行，由容量为630/400kN(启门力/闭门力)的摆动式液压启闭机操作，液压缸安装在1607.50m高程的平台上，液压启闭机的控制设备(泵站、油箱、电气设备)布置在1607.00m高程的闸顶平台上，金属结构构件具体数量及重量见表1。

表1 泄洪冲砂闸金属结构

3 基本地质条件

錾高坝址位于西昆仑山东部中低山区，叶尔羌河由霍斯拉甫大弯曲转为较顺直段，流向近北东向。坝址为宽“U”形河谷，左岸有Ⅰ—Ⅳ级阶地分布，Ⅰ、Ⅲ级阶地分布不连续，Ⅱ、Ⅳ级阶地分布相对而言较连续，总体坡度在30°～35°，地形相对较缓。右岸为一北东向延伸的基岩山梁，岸坡自然坡度45°～55°。现代河床500m左右，发育漫滩、心滩。河床覆盖层为第四系冲积砂卵石，最大厚度55m为深厚砂砾石覆盖层，主要为砂卵砾石层夹有多层缺细粒充填卵砾石(强渗层)，为强透水层。

4 有限元计算模型

根据规范要求，水闸地基在各种运用情况下均应满足承载力、稳定和变形的要求。水闸地基计算应根据地基情况、结构特点及施工条件进行。同时，土质地基允许最大沉降量和最大沉降差应以保证水闸安全和正常使用为原则。由于本工程的泄洪冲砂闸位于深厚覆盖层上，闸室属于轴对称结构，传统的二维计算无法准确反应闸室的自重与重心对覆盖层压力及最大沉降的影响，同时无法考虑混凝土结构与覆盖层之间的接触作用。本次仅计算竣工期、正常蓄水期上2个工况下三维闸室自重+金属结构自重对覆盖层基础产生的沉降变形量。

4.1 泄洪闸几何模型建立及网格剖分

本工程闸室三维有限元网格模型如图2—3所示，结点总数为20688个，单元总数为14887个。护坦结点总数为1806个，单元总数为1220个，防渗墙结点总数为2184个，单元总数为1500，以上所有结构除钢闸门为壳单元，其余均为六面体实体单元。模型覆盖层底部全约束，顺水流、垂直水流面均为法向约束。

4.2 计算工况及荷载组合

为了更好的模拟闸室在各个工况时的沉降量及结构缝的变形量，本次计算完建期考虑闸室混凝土自重+基础自重+金属结构自重。正常蓄水工况时还需考虑混凝土与水接触部位的压力、基础底部的扬压力等，各个工况荷载组合见表2。施工工序模拟按照“基础开挖—地应力平衡—防渗墙施工—基础回填—闸室分层浇筑—金属结构安装—正常运行”进行，在水闸施工过程中的变位是逐级进行叠加，地基沉降变形在逐级荷载下呈现出非线性特性。

表2 各个工况荷载组合

4.3 有限元计算方法及成果分析

錾高水电站距阿尔水利枢纽工程坝址区直线距离15km左右，本工程覆盖层为砂砾石覆盖层，最大深度55m，属于深厚覆盖层。该与阿尔塔什水利枢纽工程很近，因此，覆盖层计算参数采用阿尔塔什水利枢纽工程的大连理工大学室内静三轴试验成果，见表3。同时，盖层受闸室+金属结构自重产生的沉降变形，采用邓肯(Ducan)E-B非线性模型模拟，混凝土采用线弹性模型模拟。由于防渗墙、连接板混凝土刚度远大于覆盖层砂砾石刚度，在结构自重及水压力作用下，2种介质之间因变形不协调会产生相对错动，模型中闸室底板与覆盖层、连接板与覆盖层、防渗墙与覆盖层之间相互错动作用采用ABAQUS软件中的罚函数接触模型模拟，摩擦系数取0.3，ABAQUS软件功能不再赘述。

表3 覆盖层Duncan-EB模型材料参数表

4.4 计算结果及结论

施工期进行了地应力平衡，为后续计算提供应力场及平衡后的位移场，竣工期闸室自重加上金属结构对砂砾石覆盖层产生的沉降量最大值为1.87cm，如图4(a)所示，在自重作用下，闸室对基础的变形量要比连接板、护坦基础产生变形量大，连接板与闸室进口沉降高差为0.74cm，如图4(a)中放大图所示，小于该段连接板与闸室进口段之间止水允许变形量10cm的要求。正常运行期在水荷载作用下，覆盖层产生的沉降量最大值为2.41cm，如图4(b)所示。闸室前段护坦及连接板受水荷载作用更加贴合基础，同时水闸在扬压力作用下有微小上抬，此时，护坦与闸室进口沉降高差为0.03cm，如图4(b)中放大图所示，远小于该段连接板与闸室进口段之间止水允许变形量10cm的要求。上述2个工况下闸室对覆盖层再次固结产生的沉降影响不大，总的变形量很小，且均能满足设计要求。

5 结语

本工程为Ⅲ等中型工程，鉴于深厚覆盖上，闸室与连接板的沉降差及闸室整体的沉降问题对整个工程安全运行至关重要，通过三维有限法计算泄洪冲砂闸基础沉降及结构缝间沉降差计算成果表明：

(1)竣工期、正常运行期，覆盖层产生的沉降量最大值分别为1.87、2.41cm，远小于规范15cm的要求，表明闸室在上述2个工况下基础沉降满足规范要求，同时说明结构基础尺寸合适。闸室与连接板之间沉降差最大值分别为0.74、0.03cm，远小于规范5cm的要求，也小于该处止水最大允许剪切变形量10cm的要求。表明闸室在上述两个工况下结构缝中止水不会被剪破。

(2)针对此类建于覆盖层上水闸工程，可采用三维有限元法进行计算闸室沉降及结构缝剪切变形，为水闸结构设计提供依据。