摘要:阿青水电站位于西藏阿里地区，阿里地区位于西藏西部，战略地位重要，然而气候条件恶劣，社会经济发展滞后，交通运输不便，能源匮乏，基础设施落后，电力极度短缺。阿青水电站建设对于阿里地区政治经济发展和社会稳定的具有巨大的促进作用。阿青水电站工程规模为大（2）型，工程等别为二等，其中壅水建筑物（土石坝坝高超过100m提高一级）为1级建筑物。大坝体型设计事关本工程成败的关键，采用河海大学岩土工程研究所研制的TDAD三维有限元静力计算程序，模拟各种工况，通过计算分析和结合国内相关工程经验，最终确定合适的大坝体型。
关键词:壅水建筑物;TDAD;三维有限元静力计算程序大坝体型
1工程概况
阿青水电站位于西藏自治区阿里地区札达县象泉河上，是象泉河中游水电规划5级开发的第2级电站，集水面积11420km2，主要任务是发电，枢纽建筑物由拦河大坝、泄洪消能建筑物、引水发电建筑物等组成。正常蓄水位3814.00m，相应库容3.01亿m3，电站采用坝式开发，水库具有多年调节能力。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准（DL 5180-2003）》的规定，阿青水电站工程规模为大（2）型，工程等别为二等，壅水建筑物（土石坝坝高超过100m提高一级）为1级建筑物，泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为2级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物，临时性水工建筑物为4级建筑物。
沥青混凝土心墙砂砾石坝坝顶宽度10m，坝顶长度为450.80m，坝顶高程3818.00m，建基面高程3711.00m，最大坝高107m。上游坝坡为1:2.25，下游坝坡为1:2.0，上、下游坝坡分别在3788.00m高程处设置宽5m的马道，上游坝坡水位变幅区采用1.0m厚干砌块石护坡，其余部位及下游坝坡采用0.4m厚的干砌石护坡。
2坝体静力三维有限元应力应变分析
由于沥青混凝土心墙砂砾石坝建在高山峡谷里，应力应变的三维效应显著，故进行了三维静、动力应力应变计算，以了解大坝和坝基在静力和地震情况下的应力应变状态，为设计方案的选择提供计算依据。
1）计算方法
计算采用的三维有限元静力计算程序是河海大学岩土工程研究所研制的TDAD程序。
程序采用分级加荷对施工和蓄水过程进行模拟，整个加荷过程共分为15级，其中考虑筑坝施工过程12级，最后3级为蓄水过程，按高程3758m、3788m至正常蓄水位3814m。
混凝土作为线弹性材料考虑，对材料力学性质相差很大的情况，两种材料之间的接触面可能会产生相对滑移，计算时设置相应的Goodman接触面单元对此进行模拟。大坝共划分了26个横剖面，共有5056个结点、4779个单元，大坝的三维网格见图2-5。
2）坝体材料计算参数
本报告采用邓肯－张非线性弹性E-V模型进行三维有限元应力变形计算，坝体填筑材料的计算参数见表2-3。
（1）坝体水平位移
竣工期，在堆石的泊松效应作用下，剖面的上下游方向位移均指向坝坡方向。河谷段典型剖面竣工期顺河向水平位移不大，且以坝轴线呈对称分布，向上游的水平位移最大值为6.6cm，向下游的水平位移最大值为5.8cm，2-6。蓄水后上游坝体有向下游位移趋势，坝体向上游的水平位移最大值减小，向下游的水平位移最大值明显增大，向上游的水平位移最大值为5.5cm，向下游的水平位移最大值为13.9cm。岸坡段断面土体受岸坡约束作用，位移比河谷段要小，但整体规律比较一致。坝体河谷段蓄水期典型断面顺河向水平位移等值线见图2-7。
（3）坝体应力
竣工期坝体主应力与坝坡基本平行，且从坝顶向坝基呈现逐渐加大的趋势。坝体第一主应力最大值为2.18MPa,第三主应力最大值为0.84MPa，均发生在坝体与基岩接触部位，且心墙左右两侧应力呈对称分布。
满蓄期大、小主应力等值线分布规律与竣工期基本相似，但是受到水荷载的作用，上游堆石料的主应力值明显减小，尤其以第三主应力最为明显，堆石体的主应力极值发生在坝体下游堆石与基岩接触部位，第一主应力极值为2.33MPa，第三主应力极值为0.91MPa。
竣工期上、下游过渡料和心墙结合处的应力水平比其他部位高，最大值为0.36，分布近似对称，发生位置接近坝体顶部；而满蓄期由于采用总应力法计算，在水荷载的作用下，上游过渡料区与心墙结合处应力水平较高，最大值为0.7，但还没有发生剪切破坏破坏的可能。
河谷段坝体竣工期、蓄水期典型断面大小主应力及应力水平等值线分别见图2-10～2-12。
（4）心墙的应力变形
竣工期，心墙坝轴线剖面的水平位移较小，其中指向上游方向最大水平位移为2.6cm；向下游移动的最大水平位移为2.0 cm，位于心墙3765m高程附近。心墙最大竖向位移为37.9cm，位于3766m高程附近；坝轴向位移极值左右岸分别为-3.5 cm和3.7cm，方向分别由两岸岸坡指向河谷方向。水库蓄水后，由于受水荷载的作用，心墙的上下游位移顺河向向下游增加，向下游的最大水平位移增为12.6cm，位于3765m高程附近；最大竖向沉降为37.7cm，基本不变，位置发生在高程3768m附近。坝轴方向位移，左右岸极值为-3.7cm和4.7cm，方向由两岸岸坡指向河谷方向。
竣工期大主应力和竖向正应力沿不同高程位置基本呈平行分布，且从坝顶向坝基呈现逐渐加大的趋势。心墙第一主应力极值为1.77MPa，第三主应力极值为0.77MPa，无拉应力出现，竖向正应力极值为1.75MPa 。
蓄水期大主应力等值线分布规律与竣工期基本相似。第一主应力极值为1.80MPa，第三主应力极值为0.76MPa，基本无拉应力出现，竖向正应力极值为1.73MPa。
由图可以看出，蓄水期心墙的竖向正应力都大于该处的水压力，心墙不会发生水力劈裂。
无论竣工期还是蓄水期，心墙单元的剪应力水平都小于0.4，未发现剪切破坏单元；在心墙与两岸岸坡连接部位，剪应力水平稍高，部分单元的剪应力水平达到了0.4，由于岸坡段的坡度相对较大，剪应力发挥充分导致。
防渗墙蓄水期、竣工期大小主应力、水平位移及沉降等值线分别见图2-16～2-28。
3 结论
通过大坝的三维非线性有限元静力分析，可以得到：
（1）与坝址地形条件相适应，计算大坝的位移分布规律基本合理。竣工时，坝体的竖向位移极值为37.9cm，发生在高程3766.0m附近的心墙部位；水库蓄水后，竖向位移变化较小，为38.0cm，其所处位置与竣工时基本一致。竣工时，上、下游方向位移指向坝坡外侧，向上游水平位移极值为6.6cm，向下游移动水平位移极值为5.8cm。水库蓄水后，向上游水平位移极值为5.5cm；下游水平位移极值为13.9cm。0+221剖面堆石体的大、小主应力极值分别为：竣工期2.18/0.84MPa，满蓄时2.33/0.91MPa；0+178剖面的堆石体的大、小主应力极值分别为：竣工期1.31/0.61MPa，满蓄时1.51/0.73MPa；0+301剖面的堆石体的大、小主应力极值分别为：竣工期0.99/0.33MPa，满蓄时1.06/0.50MPa。
（2）竣工时，沥青混凝土心墙，向上游水平位移极值为2.6cm，向下游移动水平位移极值为2.0cm；竖向位移极值为37.9cm。蓄水期，上下游方向向下游水平位移极值为12.6cm；竖向位移的极值为37.7cm；对于坝轴方向，左、右岸极值位移分别为-3.7cm和4.7cm，方向分别由两岸岸坡指向河谷中央。
沥青混凝土心墙竖向应力极值分别为：竣工期/满蓄期为1.75/1.73MPa ，心墙不会发生水力劈裂；其应力水平小于1.0，不会发生剪切破坏。
（3）各计算工况下坝基廊道主应力极值为：大主应力9.14MPa，小主应力-2.11MPa，需要适当配筋。
（4）坝基廊道与沥青混凝土心墙之间的错动位移较小，最大值为满蓄期上下游方向错动11.2mm。
参考文献：
[1]《防洪标准》（GB50201-2014）[S]。
[2]《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003）。
[3]《水电水利工程边坡设计规范》（DL/T5353-2006）。
论文作者:代辉
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷10期
论文发表时间:2019/9/20
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