江蘇宜昌抽水蓄能電站上水庫面板堆石壩穩定分析

江蘇宜興蓄能站樞紐工程包括上水庫、下水庫、供水系統、地下車間、地下通道門等建筑。1.1000m.上庫位于銅官山腳下的山谷中，由主水庫、副水庫和庫周山環繞。正常蓄水位471.50m，正常發電損失水位正常，死水位428.60m，有效蓄水位507.3萬。3.507.3萬人？t3。壩址區地形開闊,左岸山頂高程508m,右岸山頂高程510m.正常蓄水位處,左岸山體寬約135m,右岸山體寬約264m.壩軸線橫跨兩溝一梁,地形呈“W”形,高程400～443m.沿主溝縱向地形陡緩不均,上游壩踵至壩軸線下游145m范圍內,坡度為10°～20°,局部地段25°左右;壩軸線下游145～330m,坡度約為40°,局部陡峻地段,坡度逾55°;壩軸線下游330m以下坡度約為20°.壩址區地層為泥盆系中、下統茅山組巖屑石英砂巖夾粉砂質泥巖(或泥質粉砂巖)及泥盆系上統五通組石英巖狀砂巖夾粉砂質泥巖(或泥質粉砂巖),另有燕山晚期花崗斑巖呈巖株、巖脈狀出露.覆蓋層淺薄,基巖風化受巖性及構造控制,一般以弱風化為主,花崗斑巖脈以及裸露地表的泥巖夾層呈強-全風化.庫區斷層發育,以NWW—近EW走向的陡傾角為主,規模較大的斷層有F3,F4,F13,F14,F20等30條.庫區節理發育,除層面節理(緩傾角)外,尚有30°N—45°W,60°N—80°W,50°N—80°E3組陡傾角節理.庫岸卸荷裂隙總體上不發育.經選擇研究比較,壩型推薦采用瀝青混凝土面板堆石壩,壩體趾板以上最大壩高55m.由于壩軸線下游建基面的自然坡度較陡,下游壩體延伸長達500多?m,下游壩腳至壩頂最大高差達285m,呈覆蓋于建基面上的貼坡體形狀,為國內外所罕見.本文介紹該壩體斷面設計,并選擇代表性斷面進行穩定與變形分析為工程設計提供必要依據.1水庫斷面配置1.1壩上地區“之”形馬道瀝青混凝土面板堆石壩壩頂高程474.20m,防浪墻頂高程475.40m,壩頂寬8.0m.上游壩坡為1∶1.7,下游平均壩坡為1∶1.66.下游壩坡在高程274.20m以上設“之”形馬道,考慮施工公路的要求,馬道寬9.5m,馬道之間坡度為1∶1.35;在高程274.20m以下每隔25m高差設馬道一條,馬道寬4.0m,馬道之間坡度為1∶1.5.1.2巖料場及過渡區壩體材料共分6區,從上游至下游依次為防滲層、墊層、過渡層、主堆石區、次堆石區、基礎過渡區.主壩上游面為瀝青混凝土防滲層,采用簡式結構斷面,總厚度為20.2cm,自上而下分別為瀝青瑪諦脂封閉層2mm、瀝青混凝土防滲層10cm、瀝青混凝土整平膠結層10cm.墊層區水平寬2.0m,采用芙蓉寺灰巖料場石料,墊層料要求新鮮、堅硬、級配良好、透水性好.設計干密度ρd≥2173kg/m3,最大粒徑dmax≤100mm.過渡層區水平寬4.0m,采用芙蓉寺灰巖料場或玉山—南壩灰巖料場石料,設計干密度ρd≥2194kg/m3,最大粒徑dmax≤300mm.主堆石區采用玉山—南壩料場石料,要求用新鮮或弱風化石料,級配良好,透水性好,設計干密度ρd≥2173kg/m3,最大粒徑dmax≤800mm.次堆石區利用庫盆開挖的弱風化石英巖狀砂巖或巖屑石英砂巖,開挖時要剔除厚層泥巖夾層,控制泥巖含量不超過15%.庫盆開挖料不足部分采用西梅園石料場石料.次堆石料要求級配良好,低壓縮性及透水性良好,設計干密度ρd≥2092kg/m3,最大粒徑dmax≤800mm.主堆石區和次堆石區分界面坡比1∶0.4,傾向下游.為提高堆石與基巖的抗剪強度,增加壩體的穩定性,在次堆石區與基礎之間設置一厚度為5m的過渡區.過渡區料的料源與主堆石料相同,但采用過渡層的級配,以便于在基巖面上壓實.2水庫穩定性與變形分析2.1槽面滑動穩定分析該瀝青混凝土面板堆石壩的穩定主要由下游壩坡控制.根據地形地質條件,下游壩坡的穩定分析主要包括3個部分的內容,即下游堆石體邊坡的穩定分析、壩體堆石沿建基面以及沿基礎深層軟弱結構面滑動的穩定分析.根據壩址地形、地質條件,選取兩個具有典型代表性的壩體斷面進行穩定分析.為提高堆石體沿基巖面的抗滑穩定性,壩基進行了臺階狀開挖處理;為有效降低基礎內滲透壓力,在壩基內設置了4條排水平洞;為改善壩基“W”地形造成的壩體不均勻沉陷,對溝谷中部山梁凸起部位進行適當開挖處理.穩定分析方法為極限平衡法,考慮巖石和堆石料的強度特性.穩定分析采用的抗剪強度參數見表1.計算工況為正常蓄水位條件下的運行工況.穩定分析成果見表2.計算表明,壩體邊坡、壩體沿建基面、壩體沿基礎深層軟弱結構面的抗滑穩定均滿足規范要求.2.2筑壩材料的物理力學參數由于壩址區地形縱橫向均不對稱,特別是壩體下游面呈貼坡式,壩體的應力應變狀態與常規的堆石壩有較大差別.為全面了解壩體在自重和水荷載作用下的工作狀態,反映施工及蓄水過程中各階段大壩的應力變形情況,本文對瀝青混凝土面板堆石壩進行了空間非線性有限元分析.計算采用非線性鄧肯E-B模型,筑壩材料的物理力學參數見表3.主要計算成果見表4.計算結果表明,壩體堆石的大主應力等值線與壩坡趨于平行,應力分布規律比較合理,最大主應力發生在主堆石區內,說明水壓力主要由主堆石承擔.最大主應力為1256.5kPa,最小主應力(壓)為271.02kPa.堆石體的最大位移均發生在次堆石區,最大水平位移為14.611cm,最大豎向位移為23.712cm,與已建類似工程相比較,這樣的變形量是較小的.各種工況堆石體的應力水平均不大,最大值均不超過0.6,說明堆石體內部不會發生剪切破壞.面板均處于受壓狀態.順坡向及沿壩軸向的最大壓應力值均不大,順坡向最大壓應力為395.12kPa,沿壩軸線方向最大壓應力為264.61kPa.面板撓度最大值均發生在約1/2面板高度處,最大撓度為8.66cm,處于正常范圍.3壩體邊坡應力本文針對宜興抽水蓄能電站設計的長貼坡面板堆石壩