收稿日期:2008-08-06
作者简介：连新华(1984-)，男，江西赣州人，硕士在读，主要从事坝工结构研究,E -mail :wnxhmx @163 。
连新华，张立勇，卓丽，唐潇舒，明华军
(四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)
摘 要：针对耿达水电站闸坝错位问题，建立三维非线性有限元模型，结合坝地区地形地质等条件及闸坝工作条件，计算了闸坝在各种工作条件下主要特征点的变形特征，并与实际观测结果对比，分析了闸坝错位原因。关键词：闸室结构；水平错位；三维有限元分析；监测资料；耿达水电站
中图分类号:TV69811+1 文献标识码:A 文章编号:1001-408X (2009)02-0051-03
1 工程概况
耿达(渔子溪二级)水电站是一座具有日调节水库的隧洞引水式电站，开发河段大约11km ，利用水头259
m 。水库正常蓄水位1501100m ，设计洪水位1485170m ，校核洪水位1488180m 。电站由首部枢纽、引水系统和窑洞式地下厂房等3大部分组成。
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首部枢纽由拦河闸、非溢流坝、沉沙池、导流排沙洞、枯期及汛期进水口等建筑物组成。 拦河闸全长9512m ，闸顶高程150215m ，最大闸高3115m 。自右至左依次为:2～1号非溢流坝
段，总长36m ;3孔各宽7m 的泄洪闸，闸段长3416m (其中3号泄洪闸为实用断面溢流堰形式，堰顶高程1490m ，孔口尺寸215m ×7m ;2号、1号泄洪闸底板高程1477m ，闸孔尺寸7m ×7m );1孔冲沙闸，段长615m (闸孔尺寸215m ×10m );1孔沉沙池引渠闸，闸段长1215m (闸孔尺寸7m ×3m )；一段连接坝长516m ，其下游立视图如图1所示
。
图1 闸坝下游立视图
1
5第28卷第2期2009年4月 红水河HongShui River
Vol 128,No 12
Apr 12009
耿达电站闸址河段为深窄的“V ”形河谷，由于剥蚀作用强烈，崩积物广布。拦河闸闸址河床覆盖层最厚达68138m ，覆盖层分布规律较差，结构及级配变化大，伴有架空现象，层内夹有中细砂层及粉质壤土层，其分布连续性差。自上而下分为漂卵石层，中细砂层，砂质卵石层等(如图1所示)，河床细砂覆盖层厚度从左岸至右岸逐渐增厚。其中3号闸下的细砂覆盖层达到了815m ，且在顺河向没有很大的变化，而1号非溢流坝则处于软基与基岩的交界面上(如图3所示)，在平面投影上,
界限右侧为深厚覆盖层软基，左侧为基岩，地基很不均匀，且软基占了坝基的大部分。
拦河闸以3号泄洪闸(见图3所示位置)右边墩为边界，溢流坝段和非溢流坝段存在不同的错位【4】，以1号非溢流(图3中H11测点
)与3号泄洪闸(图3中H10测点)间接缝错位最为严重,1988年6月蓄水试验时用钢卷尺量测错位为8～10mm ，其
后逐年有所发展，到2006年最大水平错位已达35
mm ，导致该两闸坝段间横缝的上游侧橡胶止水带被剪断，门机轨道接头也错位。
2 计算模型及模拟工况
针对耿达水电站闸坝错位现状情况建立三维有
限元模型进行数值模拟[1]，三维有限元计算范围为：向上以钢筋混凝土防冲铺盖上游3010m 处为界，即闸坝上游5010m ，下游边界位于护坦末端2510m 处。模拟范围为顺河向取6倍闸高为19010m ，坝轴线方向取全闸长度加相应边界，共13316m ，拦河闸高度方向取最深的覆盖层厚度加竖向边界，约4倍闸高为12515m 。
模型坐标原点设在3号泄洪闸与1号非溢流坝间横缝的坝轴线下的闸底板顶高程处。沿顺河方向为X 轴，拦河闸高度方向为Y 轴，右手螺旋法则确定Z 轴(即坝轴线方向为Z 轴，往右岸方向为正)。单元网格划分如图2，共设28679个节点,43963个单元。由于模拟的重点是拦河闸的变位，荷载主要考虑上下游水压力，闸室范围内作用的水重，闸室建筑物的自重，渗透压力，忽略了浪压力、泥沙压力等荷载的作用。模型底面，顺河向外侧面，横河向外侧面分别加相应面的法向约束[2]。主要材料参数如表1。
本文有限元计算主要研究在不同工况下[3]，耿达水电站拦河闸坝的变形及错位，包括:①完建工况时，耿达水电站闸坝的错位情况模拟;②正常蓄图2 三维计算网格图表1 主要材料参数表
材料密度ρ
kg/m 3
弹模E
Pa 泊松比μ
粘聚力C Pa
内摩擦角φ
(°)基岩2700114×10100120112×10640混凝土2400216×101001167115×10645砾石231050×1060135011×10537细沙
1950
20×106
0140
0105×106
35
旋转工作台水位工况，上游水位1501100m ，下游为1472100m ，以及枯水运行工况，上游水位1496100m ，下游为1472100m 。主要位移输出点为上游侧坝顶(H1
～H14)，下游侧坝顶(H1′～H9′
)，布置如图3所示。图3 主要位移输出点位置布置图
3 结果分析
311 完建工况变形和错位分析
模拟结果得出1号非溢流坝与3号闸靠上游侧的相对位移最大，其中测点H11与测点H10之间的
顺河向相对位移X 达到了2912mm ，闸坝高度方向相对位移Y 为114mm ，闸坝轴向Z 没有相对位移。
根据监测资料,1号非溢流坝与3号闸之间靠上游侧顺河向的错位为2111mm ,3号闸向下游位移和向下沉陷,1号非溢流坝略有向上游位移的向下沉陷，由对比分析可知模拟成果同监测资料规律量级是一致的。
2
5红水河2009年第2期
312 1496m水位工况和1501m水位工况的变形和错位分析
1496m水位工况与1501m水位工况的模拟结果显示上游侧错位发生在1号非溢流坝与3号闸之间，其中测点H11与H10之间的顺河向相对位移X分别为3410mm和3911mm，闸坝高度方向相对位移Y分别为212mm和210mm，闸坝轴向相对位移Z都为013mm。
两种工况在坝轴线方向的变形规律相近，即拦河闸在上游水推力的作用下整体倾向下游变位。顺河向错位的相对值则从3410mm增加到3911mm，直接导致的结果是3号闸与1号非溢流坝之间形成的错缝越来越大。
而且模拟结果显示运行工况下,3号闸在闸坝高度方向有沉陷[6]，上游沉陷值小于下游沉陷值，有整体向下游偏转的趋势，这是因为3号闸置于软基上，由上游水推力作用导致的。而1号非溢流坝的上游沉陷大于下游沉陷，表现出了坝体绕坝趾基础处的某点向上游的偏转，究其原因,1号非溢流坝的靠上游端的大部分都置于软基上，而下游端置于基岩上，由闸基不均匀沉降所致。
根据监测资料，在运行工况下,1号非溢流坝与3号闸之间的水平错位为35mm，因此，模拟结果与监测资料所得数据量级是一致的，而且错位形态及原理也是一样的。
4 结论
本文根据三维非线性有限元成果，结合闸基地形地质条件及结构特点，与实测资料进行了对比分析。
(1)完建工况：耿达水电站闸坝的最大错位发生在1号非溢流坝与3号闸之间，而且顺河向的相对位移尤为突出,1号非溢流坝有倾向上游的位移和向下沉陷的趋势,3号闸有向下游的位移及向下沉陷的趋势。
(2)1496m水位工况和1501m水位工况：由有限元模拟成果可知,3号闸向下游的变位随上游水位的增加而加大，由完建工况的2111mm，增加到1496m水位工况的2711mm，再到1501m水位工况的3311mm，是导致1号非溢流坝与3号闸错缝加大的主要原因[5]。其他部位的变形也在增长，但总的来说比较协调。而且1号非溢流坝的顺河向变位没有随着水位的上升而加大，结合闸基地质特征可知耿达水电站1号非溢流坝的下游坝址处的部分基岩抑制了上游由于水推力而产生的水平变位，表现出绕坝趾基础处的某点向上游的偏转，相反3号闸的水平位移以及沉陷在上游水推力加大的情况下都在不断的加大，这是由于坝址处的基础较为软弱，没能抑制上游水推力所带来的影响。1号非溢流坝与3号闸的变形不一致从而造成了二者之间的错位。
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Dislocation Numerical Simulation Study on
River Weir of G engda H ydropow er Station
L IAN Xin2hua,ZHAN G Li2yong,ZHUO Li,TAN G Xiao2shu,M IN G Hua2jun
(College of H ydraulic and H ydra2electric E ngineering,Sichuan U niversity,Chengdu610065) Abstract:In view of dislocation of river weir at G engda Hydropower Station,3D nonlinear finite element model is set up to study deformation features of the weir’s main feature point under different working conditions based on topographic and geologic conditions of where the dam is built.By compared with the result of practical obser2 vation,the cause of weir dislocation is analyzed.
K ey w ords:gate chamber structure;horizontal dislocation;3D finite element analysis;monitoring data;G engda Hydropower Station
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连新华，张立勇，卓丽，等：耿达水电站拦河闸坝错位数值模拟研究
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