青海同德抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板坝三维有限元应力变形分析

赵智伟,刘晓光,米占宽,马秀伟

(1. 国家能源投资集团有限责任公司,北京 100011;2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;3. 南京水利科学研究院,南京 210029)

0 前 言

抽水蓄能电站上水库海拔较高,水源相对匮乏[1],一般需采用全库盆表面防渗方案[2],其中库底防渗面积占比较大(约65%以上)、投资占比较高。西北地区地处高海拔、严寒、强紫外线、高地震烈度等严苛自然条件,抽水蓄能电站建设中存在混凝土低温抗裂、材料老化、防震抗震设计复杂等突出问题,青海同德抽水蓄能电站上水库创新性地采用库岸沥青混凝土面板+库底土工膜防渗型式,有效地降低了工程投资,对西北地区抽水蓄能电站防渗方案设计有引领示范作用。

同德抽蓄上水库工程区地层岩性复杂,地震烈度高,土石方工程量大。筑坝材料中,砾岩软化系数低,砂岩夹板岩具有板岩含量高、埋深大、储量少的特点。充分利用工程区开挖料,以料定坝,是土石坝设计的基本原则。为此,开展了包括静动力特性、湿化特性、长期流变等特性的坝料试验研究工作。本文针对工程区严寒(极端低温-37.2℃)、强紫外线的恶劣工作环境,开展沥青混凝土配合比试验[3]和全项性能试验,针对防渗体系的薄弱环节,采用三维非线性有限元计算软件,对上水库大坝各种运行工况进行了三维有限元数值模拟分析,为强震区百米级软岩筑坝及库盆防渗系统设计积累了宝贵经验。

1 工程概况

同德抽水蓄能电站位于青海省海南藏族自治州同德县河北乡境内,电站总装机2 400 MW,额定水头378 m,安装8台300 MW的可逆式水轮发电机组。下水库利用正在建设的玛尔挡水电站水库,正常蓄水位3 275.00 m,死水位3 240.00 m,调节库容7.06亿m3;上水库为新建水库,利用黄河右岸岸顶缓坡地形(距玛尔挡坝址上游约11 km),挖填形成库盆,正常蓄水位3 665.00 m,死水位3 637.00 m,调节库容1 765万m3。枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、地下厂房及开关站等组成。工程属Ⅰ等大(1)型工程,主要建筑物为1级。枢纽平面布置见图1。

上水库挡水坝采用沥青混凝土面板堆石坝,坝顶高程 3 670.00 m,最大坝高112 m(坝轴线处),坝顶长2 052 m,坝顶宽10 m。上游坝坡1∶1.7,下游坝坡1∶1.7～1∶1.8,采用混凝土网格梁+干砌石防护。自上游至下游可分为:垫层区、过渡区、排水区、上游堆石区、下游堆石区、下游护坡、坝后任意料区。其中垫层区、过渡区水平宽度3 m,排水区水平宽度4～6 m。大坝防渗采用沥青混凝土面板,与库底土工膜形成全封闭的防渗体系。沥青混凝土面板采用简式结构,封闭层厚度2 mm,防渗层厚度10 cm,整平胶结层厚度10 cm。坝后设任意料区,顶高程3 630.00 m,顶宽约154 m,下游坡比为1∶2.5。大坝典型设计断面见图2。

图2 上水库大坝典型设计断面 单位:高程,m;其余,cm

工程区地震基本烈度为Ⅶ度,上水库大坝抗震设防类别为甲类[4],设计地震、校核地震标准分别为基准期100年超越概率2%、100年超越概率1%,相应的基岩水平地震动峰值加速度分别为401gal、493.3gal。参照《建筑物抗震设计规范》[5]和重大工程反应谱的确定原则,确定的基岩水平向设计规准反应谱参数见表1。根据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》和NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》中5.5.8条规定,确定的标准设计反应谱参数见表2。

表1 场地基岩设计规准反应谱参数

表2 坝址基岩规范目标反应谱参数

根据表1、2得到的场地谱和规范谱比较见图3,场地谱的动力放大系数总体上大于规范谱,从偏安全角度出发,抗震动力分析采用场地谱进行。

图3 规范谱和场地谱对比

2 数值计算条件和模型

2.1 模型试验情况

2.1.1筑坝材料性能试验

上水库位于极端低温(-37.2℃)和强震区(设计地震0.409g、校核地震0.503g)。筑坝材料中,砾岩软化系数低,砂岩夹板岩具有板岩含量高的特点,筑坝材料具有抗压强度低、级配宽且变异性大,湿化和流变性明显等工程特性。为了确保工程安全和大坝料区布设合理,开展了筑坝材料性能试验,除了常规的比重及相对密度试验、压缩试验、渗透和渗透变形试验、反滤试验、静动力三轴压缩试验外,增加了三轴流变和湿化变形特性试验,试验的部分成果见表7、8。

2.1.2沥青混凝土配合比试验

沥青混凝土粗细骨料均为新鲜坚硬的石灰岩,填料采用磨制的石灰岩矿粉,沥青采用辽河SBS改性沥青,质量满足规范要求。

(1) 沥青混凝土防渗层

结合工程经验,选取最大骨料粒径16 mm,不同油石比(7.2%、7.5%、7.8%、8.1%)、不同级配指数(0.20、0.25、0.30、0.35)和不同填料含量(11%、13%、15%)组成3组11种配合比共计32个试件,进行沥青混凝土防渗层配合比试验。根据试验结果,从斜坡稳定性、防渗性(马歇尔试件孔隙率≤2.0%)、变形性能考虑,推荐的防渗层配合比参数见表3。

表3 沥青混凝土防渗层配合比

(2) 沥青混凝土整平胶结层

结合工程经验,选取最大骨料粒径19 mm,不同油石比(3.5%、4.0%、4.5%、5.0%)、不同级配指数(0.6、0.7、0.8、0.9)和不同填料含量(3%、5%、7%)组成3组11种配合比共计32个试件,进行沥青混凝土整平胶结层配合比试验。根据试验结果,从孔隙率、渗透性考虑,推荐的防渗层配合比参数见表4。

表4 整平胶结层沥青混凝土配合比

2.1.3防渗接头型式试验

土工膜与沥青混凝土面板连接方式为在两者之间设一道混凝土连接板,连接板与沥青混凝土之间采用工程上已经成熟应用的滑动式接头;连接板与土工膜之间通常采用机械锚固方式连接,采用角钢、螺栓锚固连接,土工膜与混凝土之间通过设置GB填料垫层来密封止水,土工膜与混凝土锚固连接见图4。试验证明,通过对接头部位的HDPE膜设置一个50 cm2鼓包,HDPE膜与混凝土连接板的锚固连接接头可以适应沉陷7.2 cm+张开4.2 cm+剪切6.6 cm的位移(接头三向位移见第4.3节,并考虑2.0的安全系数),并在0.45 MPa的水压力下保持防渗性能。

图4 土工膜与混凝土锚固连接

2.2 计算参数

结合三轴试验结果并参考同类型工程[6-7],沥青混凝土面板的静动力模型参数分别见表5、6,坝体各分区采用的静动力模型计算参数分别见表7、8。

表5 沥青混凝土本构模型参数

表6 沥青混凝土动力计算参数

表7 筑坝材料静力模型计算参数

表8 筑坝材料动力模型计算参数

2.3 施工过程模拟

根据表9所示的施工进度安排,大坝填筑工期为35.5个月,每年12月1日至次年2月15日大坝停止填筑2.5个月,填筑工期为18个月,库盆防渗施工工期6个月,沥青面板施工工期3个月,第六年9月底开始下闸蓄水,假定6个月蓄水至正常蓄水位。

表9 大坝填筑历时时间与填筑高程

表中:ρ为密度,φ0、Δφ为强度指标,nd、cd、Rd为体变参数。

2.4 有限元模型

根据上水库坝体和库盆填筑情况,三维有限元网格模型见图5。三维模型共计节点123 268个,单元128 471个。其中,土工膜为柔性材料,不能承受压力和弯矩,只能承受拉力,并具有良好的拉伸性能,采用空间无厚度的膜单元进行模拟。沥青混凝土面板与周围材料的刚度差异较大,在荷载作用下,两者接触面因变形不协调会发生相对位移[8],计算采用接触摩擦单元模拟。

图5 三维网格剖分

3 静力计算成果及分析

3.1 坝体应力变形

竣工期和水位升降期沥青混凝土面板坝坝体最大沉降分别为46.8 cm和49.7 cm,坝体最大沉降量值约占坝高的0.44%,发生在坝轴线高程3 615.00 m处,沉降率与同类坝相比处于中等偏下水平。受坝基面总体向下游倾斜影响,竣工期坝体以向下游变形为主,下游向水平位移最大值为11.1 cm,水位升降期下游向水平位移最大值增至13.7 cm,上水库大坝水位升降期变形等值线如图6所示。

图6 上水库大坝水位升降期变形等值线 单位:cm

3.2 沥青混凝土面板应变与变形

沥青混凝土面板在坝体填筑完成后一次性碾压形成,竣工期面板变形和应变很小。水位升降期沥青混凝土面板挠度最大值为16.0 cm,位于反弧段高程3 636.00 m处,沥青混凝土面板水位升降期挠度等值线如图7所示。

图7 沥青混凝土面板水位升降期挠度等值线 单位:cm

水位升降期轴向和顺坡向压应变最大值分别为0.04%和0.03%,轴向和顺坡向拉应变最大值分别为0.09%和0.10%,沥青混凝土面板水位升降期应变等值线如图8所示。压、拉应变均在沥青混凝土材料应变允许范围内(1.0%),沥青混凝土面板是安全的。

图8 沥青混凝土面板水位升降期应变等值线 单位:%

3.3 土工膜应变与变形

水位升降期土工膜最大主拉应变为0.55%,发生填方区挖填分界线边缘,拉应变在土工膜材料应变允许范围内(伸长率处于30%～100%),土工膜不会发生拉伸破坏,如图9所示。土工膜与面板的相对错动、沉陷和张开最大值分别为2.4、1.7 cm和1.6 cm,相对滑移均较小,土工膜与面板接头部位变形是安全的。

图9 水位升降期土工膜主拉应变分布 单位:%

3.4 考虑流变和湿化

坝体变形主要包括加载引起的瞬时压缩变形和堆石应力释放、调整和转移导致的流变变形[9],同时,堆石料在一定应力条件下会浸水湿化[10],发生软化、棱角破碎、相互滑移、填充,继而产生体积缩小与剪切变形。假设面板与土工膜连接处发生破损,流变变形、湿化变形采用初应变法计算,计算结果见图10。蓄水运行5年后大坝变形趋于稳定,坝顶最终沉降29.9 cm,约为坝高的0.27%,坝体沉降最大值由49.7 cm增加至68.2 cm,为坝高的0.61%。考虑流变后与湿化作用后,大坝坝体和防渗体系的应变变形也有较明显的增大,其中,沥青面板挠度最大值由16.0 cm增加至26.5 cm,顺坡向压、拉应变最大值分别由0.05%、0.10%增大至0.07%、0.11%;土工膜最大拉应变由0.62%增大至0.75%,土工膜与面板的相对错动、沉陷和张开最大值分别由2.4、1.7 cm和1.6 cm增加至3.0、2.2 cm和2.0 cm,但防渗体系的安全仍是有保障的。

图10 上水库库1+340.85m剖面和库1+840.00m剖面坝顶沉降过程线

4 动力计算成果及分析

4.1 坝体动力反应和震陷

根据计算结果,随着坝高的增加,大坝动力反应越大,坝顶15～20 m坝体的加速度放大系数明显增加,鞭梢效应显著。大坝动位移也随着坝高的增加而增大,最大动位移发生在坝后任意料区顶部。正常蓄水位+校核地震坝体最大震陷量为51.7 cm,震陷比约为0.46%,在土石坝震陷比统计范围内。

4.2 沥青混凝土面板应变与变形

正常蓄水位发生校核地震时,静动应变叠加后,沥青混凝土面板轴向压应变和拉应变最大值均为0.25%,顺坡向压应变和拉应变最大值分别为0.14%、0.25%,如图12所示。压、拉应变均在沥青混凝土材料应变允许范围内(1.0%),地震作用下沥青混凝土面板是安全的。

图12 沥青混凝土面板P100=1%地震工况应变叠加等值线 单位:%

4.3 土工膜应变与变形

校核地震过程中土工膜最大动拉应变为0.30%,震后主拉应变最大值为0.70%,均发生在挖填分界线边缘,如图13所示。拉应变安全系数Fab=30%/0.7%=42.9,远大于规范允许值5.0,地震工况下土工膜是安全的;土工膜与面板的切向错动、沉陷和张开最大值分别为3.3、3.6 cm和2.1 cm,相对滑移均较小,土工膜与面板接头部位变形是安全的。

图13 震后土工膜主拉应变分布 单位:%

在设计和校核地震下,上水库沥青混凝土面板堆石坝设计方案总体满足抗震安全性要求,设计方案是可行的,满足大坝正常运行和抗震安全性要求。

5 结 论

基于青海同德抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板坝的三维有限元应力变形结果分析,结合坝料试验、沥青混凝土配合比试验和防渗接头型式科研试验成果,确定了大坝及库盆防渗体系设计的合理性。形成结论如下:

(1) 上水库最大坝高为112 m,坝体的总体的沉降变形在允许范围内,静力条件下最大为49.7 cm,约为坝高的0.44%,沉降率与同类坝相比处于中等偏下水平。受坝基面总体向下游倾斜影响,坝体以向下游变形为主,下游向水平位移最大值为13.7 cm。考虑流变与湿化作用时,蓄水运行5 a后大坝变形趋于稳定,坝顶最终沉降29.9 cm,约为坝高的0.27%。

(2) 上水库挡水坝应力分布规律性较好,应力值较小,应力水平均不超过0.45,各工况下均没有出现明显的剪切破坏区,坝体发生剪切破坏的可能性较小。

(3) 静力条件下沥青混凝土面板最大压应变和最大拉应变分别为0.04%、0.10%,土工膜最大主拉应变为0.55%,地震后最大拉压应变略有增加,远小于沥青混凝土和土工膜允许的应变值,应变状态总体良好,出现拉裂缝的可能性较小。

(4) 地震工况,土工膜与面板接头的三向变位分别为3.3、3.6 cm和2.1 cm,相对滑移均较小,土工膜与面板接头部位变形是安全的。

(5) 应力、变形计算及防渗接头试验成果说明,大坝在各工况下的变形和受力是安全的,大坝分区合理,沥青混凝土面板和土工膜应变在材料应变允许范围内,防渗体系是安全的。