白沙面板堆石壩剖面優(yōu)化設(shè)計.docx

1、文章編號：1671-3354(2009)05-0048-04白沙面板堆石壩剖面優(yōu)化設(shè)計王汝軍I,高紅民2(1.武漢大學(xué)設(shè)計研究總院，湖北武漢430072；2.湖北省水利廳白蟻防治中心，湖北武漢430070)摘要：。1沙面板堆石壩設(shè)計,采用三種不同的巖石填料，通過K-B二維選優(yōu)和三維印證，使溢洪道開挖料得到充分利用，比采用純硬巖料填筑大壩堆石體，節(jié)約投資約1020萬元。關(guān)鍵詞：白沙水電站;面板堆石壩;剖面優(yōu)化;開挖料中圖分類號:TV614.4文獻標志碼:AOptimaldesignoncrosssectionofBaishaCFRDWANGRujun,GAOHongmin(1.Design&am

2、p;ResearchInstitute,WuhanUniversity,Wuhan430072,China；2.TermiteControlCenter,HubeiWaterResourcesDepartment,Wuhan430070,China)Abstract：ThreekindsofsoftrockwithdifferentpropertiesarecomparedbyE-B2-Doptimizationand3-Dverification,andarechosentobethebuildingmaterialsofBaishaCFRD.Hence,theexcavatedmateri

3、alsfromthespillwaynearthedamcouldbeusedinsteadofhardrockmaterials,andthedamconstructionexpensescouldbecutdownabout10.2x10°yuan.Keywords:BaishaHydropowerStation；CFRD；cross-sectionoptimization;excavatedmaterial2壩體斷面優(yōu)化設(shè)計白沙河水電站工程位于竹溪縣兵營鄉(xiāng)，堵河右岸二級支流泉河上，為泉河流域的第5個梯級。擋水建筑物為混凝上面板堆石壩，壩高105.60m,總庫容2.478億擇，正

4、常蓄水位445m,電站裝機45MW,多年平均發(fā)電*1.26億kWh。大壩設(shè)計標準為100年-遇洪水設(shè)計,2000年一遇淇水校核;壩址處于7。地震區(qū)，按8。設(shè)防。白沙河水電站工程由面板堆石壩及大壩右岸壩頭用2孔12.0rnxl2.5m岸坡式溢洪道、右岸引水壩后地面廠房、裝機2x22.5MW、室外變電系統(tǒng)等組成。壩址地處高山峽谷，兩岸地形陡峻、尤其是右岸山體雄厚，懸崖峭壁，山頂至河床高差達360m,左岸略為開闊，壩軸線以前河谷在正常蓄水位寬230m左右,河流呈型。溢洪道開挖料用于大壩填筑料為板巖，成份以絹云母為主，巖體的單軸飽和抗壓強度為17MPa,彈性模房為19GPa。硬巖材料在2.5km夕卜。

5、收稿日期：2009-03-31作者簡介：王汝軍，男，工程師,從率水電工程設(shè)計。壩址處河谷較窄,狹谷出口后地勢開闊，大壩布置上游受控于臘冬溝及深厚的風(fēng)化帶，F(xiàn)游受制于楠柴溝。左岸為順向谷，右岸為逆向坡，但受區(qū)域斷裂影響，順向坡崩堆積發(fā)育，河床堆積漂礫及松散堆積。壩軸線須在楠柴溝上游附近選擇，大壩下游坡腳須距離楠柴溝出口一定距離，同時壩線宜盡可能地茶近楠柴溝，以縮短引水隧洞長度，旦不影響溢洪道及導(dǎo)流洞出口布置?；炷撩姘宥咽瘔?，壩頂長230.0m,壩頂寬8.0m。壩頂高程449.60m,壩頂防浪墻頂高程450.80m,最大壩底寬306.02m,E游壩坡1:1.35,下游綜合壩坡為1：1.49。2.

6、1壩體斷面優(yōu)化的原則面板堆石壩為當?shù)夭牧蠅危瑝瘟系拈_采、運輸費約占大壩投資的60%-75%?因此提高料場開挖料及建筑物升挖料利用率，是節(jié)約工程投資的主要途徑。壩體主堆石區(qū)作為支承面板的主體，一般需采用較好的硬巖堆石，軟巖的利用-般放在壩體下游的次堆石區(qū)（3C區(qū)）。隨巖筑壩技術(shù)的進步，目前軟巖堆石料的填筑范圍正在逐步擴大。軟巖堆石料利用原則是：保證軟巖料區(qū)的下邊界線在大壩運行時處于干燥區(qū)，以便壩體排水暢通,并避免軟巖遇水產(chǎn)生濕化變形等；上邊界線應(yīng)保證其上有不小于510m的新鮮硬巖填筑層覆蓋;下游邊界線應(yīng)保證壩體下游邊坡的穩(wěn)定,且在其外側(cè)留有不小于2m新鮮硬巖填筑區(qū)，以防止軟巖料的繼續(xù)風(fēng)化，上游邊

7、界線則應(yīng)通過計算分析，在保證壩體施工期、運行期的沉降量以及面板的應(yīng)力在合理范圍內(nèi)的前提下，盡鼠往壩體上游側(cè)靠近，以期能夠最大限度地利用軟巖材料。2.2壩體斷面優(yōu)化方法壩體斷面分區(qū)的優(yōu)化一般采用應(yīng)力變形分析結(jié)合壩坡穩(wěn)定分析的方法進行，壩體應(yīng)力變形分析通常采用北線性有限元法計算。計算分析時,一般先對兒種富商水位44500不同壩料的分區(qū)方案進行二維應(yīng)力變形有限元計算,在分析計算結(jié)果優(yōu)選一種方案的基礎(chǔ)上，再進行三維有限元計算，以進一步對所選方案進行分析研究。2.3壩體斷面優(yōu)化結(jié)論與選擇采用三種剖面方案進行篩選計算:第1種為全玲巖剖面，上游面采用新鮮玲巖,下游面采用風(fēng)化為巖（圖1）；第2種為軟巖削面,除

8、墊層、過渡層外,70%的料采用板巖料（圖2）；第3種為壩軸線前為硬巖（玲巖），壩軸線后，最高洪水線以上為46.6%板巖料（圖3）。2.4計算模型堆石壩料采用鄧肯E-B模型，混凝上面板采用線彈性模型，混凝土面板與墊層料之間，以及周邊縫部位，采用軟單元模擬,軟單元采用線彈性模型，當受壓時彈模取混凝土的受壓模魚，認為兩種材料之間不能嵌入，當單元受拉時取受壓模量的1/100,認為單元不能承受拉力;泊松比"取0.3。449.60：0(新釁H3B層料宛300(2A)385.20普誓蜓密5%、普黑）【8Z6Z,0S6S8-+0-SOTTOg.moo+o.000+0圖1全硬巖堆石橫剖面（上游壩坡1：

9、1.35,下游綜合壩坡1:1.399）（單位:m）圖2全軟巖堆石橫剖面（上游壩坡】：1.35,下游綜合壩坡1:】.49）（單位:m）2.5堆石壩料計算參數(shù)通過大型三軸壓縮試騷，得到堆石壩料的強度參數(shù)和鄧肯E-B模型參數(shù)（見表1）。2.6典型設(shè)計剖面二維計算成果三種剖面方案的二維有限元計算成果見表2。其中，硬巖剖面方案中，巖質(zhì)較硬，壩體變形很小,蓄水后800700.0過渡料寬300cm（3A）竺干村1埃石護埔（P）反濫對渝古C20鋼筋混爆七面板厚f=3O+O.OO3H*”361.96361.80'(/>:005%)I(P=l%)447.38.,n仁°°5地群大“

10、05.20投料寬300cm(2A主地石區(qū)（丹巖）3B下游地石區(qū)（新鋅板巖）3C,V365.20圖3部分軟巖堆石橫剖面（上游壩坡LI.35,下游綜合壩坡IJ.49）（單位:m）表1白沙水電站筑壩堆石料三軸試驗鄧肯E-B模型參數(shù)編號壩料干密度yd/（g*cm-)O0A0KnIm1上址盼巖）2.1554.511.010000.7100.916650.00.15002砂礫石槌蓋層2.2552.410.09000.6700.907600.00.20003次堆石11102（切巖）2.1051.410.26300.4800.946330.00.11004次堆石HICK板巖）2.0644.78.7572_0.

11、0070.820118.50.0156表2典型設(shè)計剖面二維計算結(jié)果計算結(jié)果方案一硬巖削而方案二70%軟巖剖面方案三46.6%軟巖剖面壩體最大沉降/cm38.74143.4288.84竣壩體最大水平位移/cm-12.7115.49-22.6952.08-9.6126.19r期壩體最大大主應(yīng)力/MPa1.781.582.29壩體最大小主應(yīng)力/MPa0.720.630.63壩體最大沉降/cm40.79158.1992.91壩體最大水平位移/cm-7.8819.92-7.2172.16-3.6036.65壩體最大增枇沉降/cm8.3733.1311.14蓄壩體最大增量水平位移/cm8.7532.661

12、5.63水期墊層料坡面最大法向位移/cm14.978.133.8面板最大法向位移/cm11.845.116.4壩體最大大主應(yīng)力/MPa1.961.742.67壩體最大小主應(yīng)力/MPa0.770.660.70壩體最大沉降為41cm,約為壩高的0.39%。水庫蓄水產(chǎn)生的壩體增bt變形也很小，匕游壩面上沿水平和豎直方向的增量變形均在89cm左右。水庫襦水后上游墊層料坡面處最大法向位移在14.9cm。面板的法向變形預(yù)計在11.8cm。70%的料采用板巖料的軟巖剖面方案中，由于占據(jù)壩體大部分體積的為巖質(zhì)較軟的板巖，壩體蓄水后最大沉降達到158cm,約為壩高的1.5%。與硬巖剖面相比，為硬巖剖面最大沉降的

13、3.88倍，相差懸殊。水庫蓄水后上游墊層料坡面的最大法向位移達到78.1cm,面板的法向變形也預(yù)計達到45.1cm。水庫苗水過程在水荷載的作用F,產(chǎn)生較大的變形,對面板及其接縫止水的可靠性不利。46.6%采用板巖料剖面的計算結(jié)果表明,壩體變形介于硬巖剖面和軟巖剖血之間，蓄水至正常蓄水位時，壩體最大沉降約為93cm,約為壩高的0.88%。下游堆石區(qū)的水平位移大于上游堆石區(qū)，最大水平位移位于次堆石區(qū)，達到36.65cm,水庫蓄水過程在上游壩坡處產(chǎn)生的兩方向的最大位移增量達到了11.1415.63cm。水庫蓄水后上游墊層料坡面的最大法向位移達到面板的法向變形預(yù)計在16.4cm。方案三在充分利用軟巖筑

14、壩的原則下，較好地解決了上游壩面的變形控制問題,能夠為混凝土面板提供-個相對較好的支撐條件，可以采用C2.7大壩三維計算成果2.7.1計算網(wǎng)格三維計算剖面采用46.6%采用板巖料剖面(見圖3),幾何模型自左壩頭0-110斷面至右壩頭0+120斷面，共劃分了12個斷面，三維計算模型有33548個單元,7912個節(jié)點。加載過程為簡單加載，即壩體全斷面填筑至壩頂,然后澆筑面板，水庫蓄水至正常蓄水位445m高程。2.7.2計算結(jié)果壩體三維計算結(jié)果見表3。表3壩體三維計算結(jié)果cm計算工況計算項目計算成果竣工期壩體最大沉降86.89壩體最大水平位移-6.9517.67壩體最大沉降88.25蓄水期壩體最大水

15、平位移-1.7230.90面板最大順河向位移36.75面板最大沉降34.48最大橫制面在壩體竣工時的沉降約86.89cm,蓄水至正常蓄水位445m高程時，沉降約88.25cm,最大水平位移為30.9cm,比二維有限元計算結(jié)果偏??；面板的順河向位移為36.25cm,最大沉降量為34.48cm左右，比二維有限元計算結(jié)果偏大。3結(jié)論根據(jù)本工程的特點,對大壩剖面全硬巖、70%的料采用板巖料J6.6%的料采用板巖料三種剖面方案進行了優(yōu)化計算。對選定的第3剖面方案還進行三維有限元靜、動力分析,并對主斷面進行了二維有限元錚、動力分析,評價了壩體在正常蓄水位和8度地震的安全性(詳情另文論述)。分析結(jié)論如下：(

16、1) 三維有限無動力分析的結(jié)果表明，壩體三個方向的加速度放大倍數(shù)以水平順河向的值4最大。由于面板的約束作用，上游坡的1略低于下游坡的值。在壩基與壩體中，對于土石壩動力破壞起主要作用的動乾應(yīng)力了機多處于0.1MPa的量級，對于碾壓密實、抗乾強度很高的堆石來說，屬于較低的水平。(2) 采用瑞典圓孤法對面板壩的下游壩坡進行了滑抓計算，得出的滑坡安全系數(shù)為1.08,滿足水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。(3) 面板在正常蓄水位和8。地震共同作用下，由C20混凝土澆筑的面板是安全的。從壩體加速度放大倍數(shù)、面板順坡向動應(yīng)力的分布看，壩體對地震作用的放大效應(yīng)是比較明顯的。(4) 在對上述三種剖面分別進行計算篩選后，由于地形限制了大壩剖面坡度的放緩.限制了軟巖料的加大使用。最終確定了軟巖放在壩軸線以后，下游校核洪水位以上的剖面，其中板巖堆石料約H5.90萬全部利用開挖料，占壩體填筑總量248.73萬K的46.6%o采用替代法可節(jié)省工程投資約1020萬元。(上接第40頁)經(jīng)計算，各種方案對比如表3。表3多種加固方法經(jīng)濟對比加固方案涵管加固投資/元工期/d說明原管拆除