寶泉抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板堆石壩應力變形分析

［摘要］寶泉抽水蓄能電站上水庫主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，壩址地質條件復雜。本文通過對該壩進行二維有限元計算，分析了壩體和面板的應力變形特性，重點是面板反弧段的變形，并提出了改善面板變形相應的工程措施。

［關鍵詞］瀝青混凝土面板堆石壩應力變形分析有限元寶泉抽水蓄能電站上水庫

1 前言

寶泉抽水蓄能電站位于河南省新鄉(xiāng)市輝縣薄壁鎮(zhèn)大王廟以上2.4km的峪河上，總裝機容量為1200MW。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群和地面開關站等建筑物組成。

上水庫主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程791.90m，最大壩高94.8m，壩頂長度600.37m，壩頂寬度10.0m。正常蓄水位為789.60m。上游瀝青混凝土面板坡比為1∶1.7，厚20.20cm，面板下部設墊層和過渡層。壩體主堆石區(qū)采用開挖灰?guī)r填筑，次堆石區(qū)為庫盆開挖石料。主堆在壩軸線處以1∶0.2的邊坡與次堆相接。壩基設有4.00m厚的排水帶。壩下游坡比為1∶1.5。庫盆采用粘土鋪蓋全面防滲，典型斷面見下圖。

根據(jù)已經(jīng)揭示的地質情況看，寶泉上水庫主壩壩基覆蓋層厚度不一，最深處可達26m，以第四系坡積、沖～洪積物為主。尤其是壩體左岸覆蓋層存在古沖溝和溝間洼地，內部充填洪積、崩積和坡積堆積層，間雜土質透鏡體，結構復雜，含泥量較大，變形模量較低，可能對壩體尤其是面板的安全產(chǎn)生不利的影響。覆蓋層全部挖除成本太高，因此考慮將部分覆蓋層保留；另外，為優(yōu)化壩體材料，覆蓋層上面的庫底填渣采用庫岸開挖石料，壩體次堆石采用庫盆開挖石料逐層填筑。

本文通過二維有限元計算，模擬壩體的施工過程和蓄水過程，研究堆石體及瀝青混凝土面板的力學特性，以分析減少覆蓋層開挖量和優(yōu)化壩體分區(qū)材料等對壩體尤其是對防滲面板變形的影響，進行安全評價。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

在本次計算中，瀝青混凝土面板采用線彈性模型，壩基覆蓋層料和各種壩體堆石料均采用鄧肯－張E－B非線性彈性模型來描述。在線彈性模型中，只需兩個材料常數(shù)即可描述其應力應變關系：彈性模量E和泊松比v。

鄧肯張E－B非線性彈性模型采用切線彈性模量Et和體積模量B來描述土體的應力應變關系。確定Et和B的主要公式中主要涉及以下參數(shù)：強度指標和φ，彈性模量數(shù)K，彈性模量指數(shù)n，破壞比Rf，體積模量數(shù)Kb，體積模量指數(shù)m，卸荷彈性模量數(shù)Kur。

2.2 計算參數(shù)

各種材料本構模型的計算參數(shù)見表1所示。其中，主堆料、次堆料、覆蓋層料、墊層料、過渡料和排水層料六種壩料的本構模型計算參數(shù)根據(jù)大型三軸試驗結果確定；上游黏土鋪蓋、堆渣和碾壓堆渣參照工程經(jīng)驗確定；瀝青混凝土面板采用線彈性模型描述，其計算參數(shù)也參照工程經(jīng)驗確定。

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