天生桥一级电站面板堆石坝稳定性分析(1)程力

摘要：用线弹性有限元方法，对天生桥一级电站混凝土面板堆石坝进行了位移场分析，并对大坝位移场分布规律及特点作了讨论，其结论可供大坝运行期间的观测点设置参考。

关键词：天生桥电站 面板堆石坝 有限元方法 位移场 稳定性

1  问题的提出

混凝土面板堆石坝是19世纪末20世纪初发展起来的一种筑坝技术，我国从20世纪80年代开始先后修建柯柯亚、关门山、西北口、株树桥等面板堆石坝。天生桥一级电站面板堆石坝位居世界同类坝型高度第二，面板面积及堆石量属世界第一，它的兴建，使我国堆石坝的建设水平达到世界先进水平。

堆石坝技术是在不断总结工程实践经验的基础上发展起来的，它是一门实验性技术。迄今为止，世界上目前还没有公认的设计理论，几乎所有的堆石坝设计，都是参照已建工程的经验，结合坝址区的地形、地质等实际条件而确定。在世界大多数国家中，土石坝的建设一直居于首位。据20世纪80年代国际大坝会议统计，截止1986年底，全世界共建大坝36235座，其中土石坝29974座，占82.7%.土石坝具有适应条件广、就地取材、经济效益好、施工导流问题容易解决及抗震性好等特点，从而得以迅速发展。但由于土石坝的施工技术及施工质量难以保证，其事故发生率（溃坝和损坏）最高。根据水利部工程管理局截止1980年底的统计资料，我国大、中、小型水库溃坝3976起，平均溃坝率为3.4%.若按坝型分，溃坝总数中土石坝最多，为2925起，其中堆石坝17起。天生桥一级电站大坝是我国自行设计和施工的世界第二高堆石坝，为确保其安全运行，有必要对其稳定性进行定量分析计算。

2  工程概况及地质环境

2.1  工程概述

天生桥一级电站堆石坝高程178m，名列世界第二，而坝顶长度、坝体填筑方量和混凝土面板的面积皆居世界第一，是世界级的工程。电站以发电为主，水库正常蓄水位为780m高程，死水位为731m高程，总库容为102.57×10⁸m³，装机容量为1200mw，保证出力为405.2mw，多年平均发电量为5226gw·h.

2.2  地质环境

坝址河谷为纵向谷，岩层产状为n50-70°e/nw∠35-50°，从右岸至左岸岩层由老至新。右岸垭口附近为二叠系巨厚层块状灰岩，上覆三叠系下统厚层泥质条带灰岩；右岸坝基为三叠系中统新苑组薄层及中厚层灰岩与泥岩互层；左岸为三叠系下统边阳组厚层砂泥岩互层；河床分布有冲积层，其厚度0.68-25.61m，在冲积层下部的近基岩面处有粘土和淤泥质粘土层分布，厚度0.15-13.32m.

工程区地震基本烈度为2度。

3  分析模型

3.1  力学模型

本文用有限元法对坝体进行稳定性分析，它能模拟堆石坝逐级加荷的施工过程，且适应于较复杂的边界条件。天生桥一级电站坝顶长1104m，坝底厚502m，于坝轴线中部取一截面（单位厚度）建立计算力学模型。力学模型采用三角形单元，将坝体划分成331个单元，195个节点；上游面板受静水压力作用，坝顶及下游坝坡为自由边界，大坝基础（基岩）为零位移边界。力学模型如图1所示。

图1  大坝分析力学模型

3.2  数学模型

(1)位移模式

选择线性位移模式：

(2)单元刚度矩阵

式中：［d］—弹性矩阵；

［b］—应变矩阵。

(3)整体刚度矩阵

4  大坝填筑材料及其物理力学参数

4.1  填筑材料

按填筑料不同，天生桥一级电站堆石坝分为四个区，分别填筑ⅲa料、ⅲb料、ⅲc料、ⅲd料。ⅲa、ⅲb料取自溢洪道或补充石料场开挖的弱风化至新鲜灰岩；ⅲc料取自导流洞、厂房、放空洞、溢洪道引渠前段和泄洪槽后段开挖的砂泥岩、薄层、中厚层灰岩、泥灰岩及粉砂岩；ⅲd料为溢洪道或补充石料场开挖的弱风化至新鲜灰岩。

4.2  填筑材料的物理力学参数

根据设计要求，大坝填筑材料的物理力学指标列于表1.

表1  大坝填料物理力学指标表^［5］

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