小山口水电站混合坝插入式接头有限元分析

陆云才

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

混合坝是重力坝与土石坝组合而成的一种坝型，因其兼有混凝土坝和土石坝的优点且较为经济而被广泛应用。但混合坝接头部位由于两种坝型刚度不同，导致接合处变形差别大且应力分布不均匀，地震时会产生不同的地震响应，易出现相对沉降和张拉裂缝，是坝体最薄弱的部位，也是混合坝设计的关键部位。土石坝与重力坝接头连接形式有插入式和侧墙式，侧墙式连接需要较长的混凝土挡墙，不经济且仅适应用于低坝。插入式连接形式简单，适用范围广且较侧墙式更为可靠、经济，广泛应用于混合坝接头的连接。插入接头可靠性关系到项目的整体安全。为验证接头安全性，本文以小山口水电站混合坝插入式接头为例，采用大连理工大学水利学院工程抗震研究所开发的岩土工程系列GEODYNA-三维非线性有效应力分析软件、FEMSTABLE-有限元动力稳定分析程序，对接头部位重力坝、面板坝进行了有限元静动力分析，评价混合坝接头可靠性同时提出优化设计方案。

1 工程概况

小山口水电站是开都河梯级开发规划中的第十级电站，电站由混合坝、表孔溢洪道、导流兼泄洪底孔、发电引水系统和电站厂房组成。混合坝由重力坝和面板坝组成，该坝型兼有混凝土坝和土石坝的优点，重力坝在施工期可以进行导流，建成后进行泄洪。面板坝可以利用当地材料，较为经济[1-4]。重力坝段最大坝高46.6m，面板坝段最大坝高37.6m。坝顶长度1181m，坝顶宽度6m。水库正常蓄水位1316m，死水位1314m，设计洪水位1316.29m，校核洪水位1318.71m。总库容5060万m3，电站装机容量49.5MW。

面板坝与重力坝的连接是混合坝设计的重点，因连接处不仅易产生集中渗流，而且会产生不均匀沉降[5]。面板坝防渗体与重力坝之间的结合，除保证填土夯实使之紧密结合之外，还应使结合面的渗径有一定的长度和适应变形的能力[6]。面板坝与重力坝的连接形式，有插入式和侧墙式[7]，考虑到面板坝防渗体位于坝体上游表面，若采用挡墙，挡墙高度最高达42m，施工难度大，施工进度慢，类似方案在喀腊塑克水利枢纽和下天吉水库的审查中被否定。确定采用插入连接形式：在上下游设置圆包头连接重力坝和面板坝，上游圆包头段为钢筋混凝土面板坝结构，趾板基础坐在基岩强风化层，面板、趾板与重力坝迎水面止水型式设置同面板坝段的周边缝；下游圆包头段为砂砾石填筑结构，面板坝与重力坝连接大样图如图1所示。

图1 面板坝与重力坝连接大样图

2 坝址地质条件概况

坝址区基本烈度8度，大坝抗震设计烈度9度，50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.20g。河谷两岸左陡右缓，呈不对称“U”形谷，谷底宽1000～1100m。左岸为IV级阶地陡坎，坡角85°以上，地面高程1326～1335m，坡顶为阶地砂卵砾石。基岩面高程1318～1320.64m，岩性为泥岩、砂岩夹砂砾岩，产状319°NE∠10°，岩层倾向坡里，倾角很缓。基岩节理不发育，但卸荷带及强风化层岩体风化裂隙较发育，右岸为IV级阶地，高程1324m，基座面高程1319.23～1320.77m，坡上岩质边坡，岸坡坡度60°～87°；阶地砂卵砾石石层厚5～8m。基岩为泥岩、砂岩、岩层倾向坡外：两岸强风化层厚2～5m，弱风化深度5～14m。河谷分为河床及洪积扇段，靠左岸的河床及河漫滩段长约470m，河床堆积物为砂卵砾石目标层为粘土层；下部为砂卵砾石层，地下水埋深1.5～1.6m左右；基岩为泥岩、沙质泥岩。强风化层厚度3～4.5m，弱风化层8m。靠右岸洪积扇段长620m，上部为洪积砂质砂土及粘土层，厚度分别为4～9m和2～5m；下部为冲击砂卵砾石层，地下水埋深4～15.1m；基岩为泥岩、砂岩。地址区分布的底层为新生界第三系中新统N1t地层及第四系堆积物。N1t岩性以泥岩、砂质泥岩为主，局部与砂岩呈互层状，夹砂砾岩，岩体完整，岩层分布连续。河谷冲积层地下水丰富，为空隙潜水，埋深1.92～18.1m，含水层厚3.5m左右。渗透系数为6.94×10-2cm/s，为强透水层。两岸及河谷基岩透水性弱，为不透水层水岩体。

3 接头部位的有限元分析

3.1 有限元分析内容

接头部位是混合坝的薄弱环节，特别是在地震作用下，两种材料接触面上特别容易产生滑移裂缝，甚至开裂破坏[8-10]。因此，接头处接触面上的应力大小以及开裂滑移区域分布是混合坝有限元分析的重点。为了验证接头安全性，对接头进行了有限元分析，分析内容如下：①建立面板堆石坝与接头部分整体模型，采用三维有限元进行静力计算，模拟大坝填筑和蓄水过程，计算坝体和坝基应力、位移，以及重力坝插入堆石坝接头部位应力和相对位移，为动力计算提供初始应力[11-12]。②采用三维有限元进行动力反应计算，模拟大坝填筑和蓄水过程，计算坝体和坝基应力、位移，重力坝插入堆石坝接头部位应力和相对位移，面板周边缝和中间缝的位移。并为动力计算提供初始应力。综合计算分析，评价混合坝接头部位的抗震安全性，提出优化方案。

3.2 坝体有限元模型

为研究坝料静力参数变化对大坝应力和变形的影响，将以上坝料的K和Kb折减到原值的80%，定义为工况2；将K和Kb折减到原值的60%，定义为工况3。工况见表1。下文仅给出工况1计算得到的等值线图，3种工况计算结果汇总于相应表中。

表1 工况简述

3.3 接头部分重力坝静力计算结果

3.3.1接头部分重力坝位移

工况1计算得到的接头部分重力坝位移等值线如图2所示，不同工况下的位移最大值见表2，由重力坝位移等值线图和表可知：接头部分重力坝的位移很小，其顺河向位移最大值为0.41mm，发生在顶部；竖向位移最大值为0.77mm，亦发生在顶部；坝轴向位移最大值为0.21mm，发生在1/3坝高处附近。随着K和Kb的减小(由原值折减到60%)，接头部分重力坝的位移变化不大。

表2 满蓄期接头部分重力坝的应力、变形最大值

图2 接头部分重力坝顺河向、竖向、沿坝轴向位移

3.3.2接头部分重力坝应力

工况1计算得到的接头部分重力坝主应力等值线如图3所示，不同工况下的主应力最大值见表2，由重力坝主应力等值线图和表可知：接头部分重力坝最大压应力为1.09MPa，发生在底部；最大拉应力为0.09MPa。随着K和Kb的减小(由原值折减到60%)，接头部分重力坝的应力变化很小。

图3 接头部分重力坝大、小主应力(压为正)

3.4 接头部分面板坝静力计算结果

3.4.1圆弧段面板位移

工况1计算得到的坝体圆弧段面板位移等值线如图4所示，不同工况下的位移最大值汇总见表3。通过位移等值线和表可知：圆弧段面板顺河向位移最大值为0.52cm，发生在水平段面板与圆弧段面板连接处1/3坝高的位置附近；面板竖向位移最大值为0.84cm，发生在靠近面板中部1/3坝高处附近；面板坝轴向位移最大值为0.44cm，出现在靠近面板中部1/4坝高处附近。随着K和Kb的减小(由原值折减到60%)，圆弧段面板顺河向位移最大值由0.52cm增大到0.83cm，面板竖向位移最大值由0.84cm增大到1.35cm，面板坝轴向位移最大值由0.44cm增大到0.69cm。

表3 满蓄期圆弧段面板应力、变形最大值

图4 圆弧段面板沿顺河向、沿竖向、沿坝轴向位移(俯视图)

3.4.2圆弧段面板应力

工况1计算得到的坝体圆弧段面板主应力等值线如图5所示，不同工况下的应力最大值列见表3。通过主应力等值线和表可知：圆弧段面板大主应力表现为压应力，最大值为3.08MPa，发生在面板中部1/3坝高处附近；面板小主应力也主要表现为压应力，最大值为0.25MPa，顶部出现小范围的拉应力，最大值仅为0.09MPa。随着K和Kb的减小(由原值折减到60%)，圆弧段面板压应力的最大值由3.08MPa增大到4.21MPa，拉应力变化很小。

图5 圆弧段面板大、小主应力(俯视图，压为正)

3.4.3圆弧段面板周边缝位移

不同工况下的周边缝的三向位移最大值见表3。从周边缝变位图及表可知：满蓄期周边缝沿趾板走向剪切位移最大值为1.04mm，位于左岸底部；周边缝沿面板法向剪切位移最大值为2.75mm，靠近左岸，表现为水压力作用下的沉陷；周边缝基本处于张开状态，最大值为0.33mm。随着K和Kb的减小(由原值折减到60%)，周边缝沿趾板走向剪切位移最大值由1.04mm增大到1.83mm，沿面板法向剪切位移最大值由2.75mm增大到4.36mm，张开位移最大值由0.33mm增大到0.46mm，压缩位移最大值由0.04mm增到0.08mm。

3.4.4圆弧段面板竖缝位移

不同工况下的竖缝的三向位移最大值见表3。从表可知：满蓄后，面板竖缝的沿顺坡向剪切位移最大值为0.84mm；沿面板法向剪切位移最大值为3.95mm，表现为水压力作用下的沉陷；张开位移最大值为1.43mm，压缩位移最大值0.08mm。竖缝位移量值均不大，在经验的范围内。随着K和Kb的减小(由原值折减到60%)，面板竖缝的沿顺坡向剪切位移最大值由0.84mm增大到1.41mm，沿面板法向剪切位移最大值由3.95mm增大到5.63mm，张开和压缩位移变化很小。

3.5 接头部分坝体地震响应计算

3.5.1接头部分重力坝静动叠加应力

地震时接头部分重力坝主应力如图6所示，可以看出：接头部分重力坝最大压应力为1.30MPa，发生在坝底处，最大拉应力为0.22MPa，发生在坝顶处。

图6 地震时接头部分重力坝最大、最小主应力(压为正)

3.5.2接头部分圆弧段面板静动叠加应力

地震时圆弧段面板主应力如图7所示，可以看出：地震时面板最大压应力为4.00MPa，发生坝高1/3处附近，最大拉应力为1.08MPa，发生在圆弧段面板与水平段面板连接处的坝顶位置附近。

图7 地震时面板最大、最小主应力(压为正)

3.5.3圆弧段面板周边缝静动叠加位移

圆弧段面板周边缝的静动叠加位移最大值见表4，可以看出：周边缝静动位移叠加后的最大值分别为1.16mm(沿趾板走向剪切)，2.76mm(沿面板法向剪切)，1.41mm(张开)，0.31mm(压缩)。

表4 圆弧段面板缝静动位移叠加结果

3.5.4圆弧段面板竖缝静动叠加位移

圆弧段面板竖缝的静动叠加位移最大值见表4，可以看出：竖缝静动位移叠加后的最大值分别为1.85mm(沿顺坡向剪切)，4.21mm(沿面板法向剪切)，2.36mm(张开)，0.85mm(压缩)。

4 结论

满蓄期接头部分重力坝的位移很小，坝其顺河向位移最大值为0.41mm，发生在顶部；竖向位移最大值为0.77mm，亦发生在顶部；坝轴向位移最大值为0.21mm，发生在1/3坝高处附近。满蓄期接头部分重力坝最大压应力为1.09MPa，发生在底部；最大拉应力为0.09MPa。地震时接头部分重力坝最大压应力为1.30MPa，发生在坝底处，最大拉应力为0.22MPa，发生在坝顶处。对坝料参数进行敏感性分析，随着K和Kb的减小(由原值折减到60%)，接头部分重力坝的应力、位移变化很小。

满蓄期圆弧段面板顺河向位移最大值为0.52cm，发生在水平段面板与圆弧段面板连接处1/3坝高的位置附近；面板竖向位移最大值为0.84cm，发生在靠近面板中部1/3坝高处附近；面板坝轴向位移最大值为0.44cm，出现在靠近面板中部1/4坝高处附近。满蓄期圆弧段面板大主应力表现为压应力，最大值为3.08MPa，发生在面板中部1/3坝高处附近；面板小主应力主要表现为压应力，最大值为0.25MPa，顶部出现小范围的拉应力，最大值仅为0.09MPa。

满蓄期周边缝沿趾板走向剪切位移最大值为1.04mm，位于左岸底部；周边缝沿面板法向剪切位移最大值为2.75mm，靠近左岸，表现为水压力作用下的沉陷；周边缝基本处于张开状态，最大值为0.33mm。地震时周边缝静动位移叠加后的最大值分别为1.16mm(沿趾板走向剪切)，2.76mm(沿面板法向剪切)，1.41mm(张开)，0.31mm(压缩)。与满蓄期的静力计算结果相比，周边缝的位移变化不大，表明地震引起的缝的动位移量比较小。满蓄期面板竖缝的沿顺坡向剪切位移最大值为0.84mm；沿面板法向剪切位移最大值为3.95mm，表现为水压力作用下的沉陷；张开位移最大值为1.43mm，压缩位移最大值0.08mm。竖缝位移量值均不大，在经验的范围内。

5 结语

从分析结果可知，在满蓄和地震工况下，混合坝连接坝段面板坝部分产生了相对混凝土坝较大沉降，因此，在实际工程中要特别加强接头处施工质量，提高碾压密实度。在接头处适当采取抗震措施，可在受拉区设置土工格栅，提高抗剪和适应变形的能力，同时尽量延长渗径，避免接头裂坝体因缝产生渗透破坏。

由于国内外对混合坝本接头部位缺少细致的研究，导致接头部位经常出现变形和裂缝，结合小山口水电站混合坝对接头部位进行有限元系统分析，结果表明接头安全可行，为类似工程积累了经验，意义显著。可在此基础上，再进行渗流计算分析，提出相应的优化和改善措施，提高混合坝接头部位运行的可靠度。