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1、水利工程论文-西龙池抽水蓄能电站下水库深厚覆盖层利用分析计算摘要：本文论述西龙池抽水蓄能电站下水库在深厚覆盖层上建坝设计过程中需重点分析研究的问题。针对西龙池下水库覆盖层特点对坝体及覆盖层的稳定、渗透稳定、坝体及面板应力、应变进行较全面的分析，确定下水库覆盖层利用原则。 关键词：西龙池 覆盖层利用 面板堆石坝 1概述 西龙池抽水蓄能电站位于山西省五台县境内，距太原市、忻州市的直线距离分别为100 km和50 km。电站安装4台300 MW竖轴单级混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量为1200 MW。额定水头640m。电站建成后并入山西电网，承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用任务。电站枢纽由上水
2、库、输水系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站及副厂房、补水建筑物等组成。下水库正常蓄水位838.0m，死水位798.0m，总库容494.2万m3 ，调节库容421.5万m3。下水库大坝采用沥青混凝土面板堆石坝，最大坝高97m、坝顶长度537m。库底、坝坡采用沥青混凝土面板防渗，防渗面积10.88万m2 ,库岸采用钢筋混凝土面板防渗,防渗面积6.85万m2 。2地质条件 下水库库 岸 山 体 陡 峻 ， 库 岸 为 崮 山 和 张 夏 组 地 层 ， 库 底 与 坝 基 为 第 四 系 洪 积 和 崩坡 积 物 覆 盖 ， 下 伏 张 夏 组 、 徐 庄 组 地 层 。 覆盖层厚度一般 204
3、0m，局部深达百余米。洪积物主要由碎石及碎石土组成，经大量勘探、试验、面波测试及地质测年等工作，认为洪积物分三期形成，第一期（Q2pl）、二期（Q3pl）洪积物为第四纪早、晚更新世形成，经历了长期的压密和地表及地下水的淋漓作用，比较密实，并在不同深度形成了不同程度的胶结，而且在洪积物中还存在土质透镜体和碎石架空现象。第三期（Q4pl）洪积物形成于第四纪全新世，基本没有胶结。通过面波测试结果可知：第一期（Q2pl）、二期（Q3pl）洪积物面波波速7001000m/s,局部存在500600m/s低速区, 结合其它勘探资料分析，这可能是土质透镜体或碎石架空层。第三期（Q4Pl）洪积面波波速小于500
4、m/s ，与一般河床砂砾石相当。崩坡积物主要由块石、碎石砾质土等组成，分布于库周陡壁下。在大量勘探、试验、分析研究工作基础上，根据覆盖层工程性质分析确定覆盖层利用原则为：崩坡积物全部挖除，基 本 挖 除 第 三 期 （Q4Pl）覆 盖 物 ， 使 下 水 库 挡 水 坝及 库 底 大 部 分 座 落 在 第 一 期 洪 积 物 （Q2pl）上 ， 仅 坝 脚 部 位 位 于 第 二 期 洪 积 物 （Q3pl）上 ， 主 沟 部 位 Q4Pl 难 以 挖 除 ， 有 十 余 米 宽 的 范 围 利 用 第 三 期 洪 积 物 （Q4Pl ）中下部作为坝基； 开 挖 料 可作 为 坝 体 下 游
5、 堆 石 区 的 填 筑 料 。3覆盖层作为坝基需研究的问题 覆盖层能否作为坝基必须满足以下三个条件。3.1覆盖层在坝体和水荷载作用下满足抗滑稳定要求 覆盖层在坝体和水荷载作用下，能否满足抗滑稳定要求是覆盖层能否利用的首要条件。坝体及覆盖层的稳定从三个方面来分析，首先是坝体自身及坝体连同覆盖层的稳定，对于堆石坝来说，坝体自身稳定不会成为控制条件，但坝体是否连覆盖层一部分或沿覆盖层中薄弱面滑动，需进行分析；其次是坝体沿覆盖层基础开挖面的滑动；三是坝体及覆盖层沿基岩面的滑动。通过对各种工况分析，覆盖层在坝体和水荷载作用下具有足够的稳定性，仅在坝轴线平面反弧中间部位，坝体下游部分沿覆盖层基础开挖面稳
6、定性较差，但通过坝基下游部分开挖宽20m左右平台即可满足要求。3.2覆盖层满足渗透稳定要求 下水库采用全库防渗，渗漏量很小，三维有限元计算结果仅为6L/s。在水库正常运行条件下，不会发生渗透破坏，但在下水库防渗和排水失效情况下是否会发生渗透破坏，需进行详细的分析。下水库覆盖层为强透水，渗系数大部分在103 cm/s以下，具有自由排水能力。渗透临界水力坡降为0.130.44,破坏比降为0.421.01，通过对下水库三维渗流场分析，即使在下水库防渗及排水失效，计算渗漏量达2.86m3/s的情况下，也难以形成浸润线，最大水力坡降仅为0.06，远小于临界渗透比降，不会发生渗透破坏。3.3在水库蓄水和运
7、行过程中，坝体不产生过大的不均匀变形 下水库库底和坝坡采用沥青混凝土面板防渗，水库蓄水和运行过程中，虽然沥青混凝土面板具有较好的适应变形能力，但当基础不均匀变形过大，使面板产生的拉应变超过沥青混凝土的允许拉应变时，沥青混凝土面板将产生裂缝，影响水库的正常运行。影响面板计算变形的主要因素有：计算模型选择、覆盖层、主次堆石力学参数的选取、沥青混凝土面板参数的选取、软弱体如土质透镜体的分布等。3.3.1计算参数 （1）覆 盖 层 计 算 参 数在 力 学 参 数 选 择 时 ， 我 们 以 应 用 较 广 泛 的 E-B模 型 为 基 础 进 行 讨 论 。 E-B模 型 是 采 用 切 线 弹 性
8、 模 量 Et和 体 积 弹 性 模 量 B来 描 述 土 体 应 力 应 变 关 系 。 Et不 仅 与 3 有 关 ， 且 与 应 力 水 平 有 关 ， B是 随 3 变 化 而 变 化 。 E-B模 型 参 数 是 建 立 在 室 内 三 轴 试 验 基 础 上 的 ， 在 覆 盖 层 的 勘 探 过 程 中 ， 为 较 全 面 地 反应 覆 盖 层 工 程 特 性 ， 分 别 在 Q2pl 、 Q3pl 、Q4pl 不 同 时 期 形 成 的 覆 盖 层 中 ， 不 同 深 度 进 行 取 样 ， 进 行 了 大 量 试 验 。 根 据 三 轴 试 验 成 果确 定 的 E-B模 型
9、 参 数 ， 一 般 范 围 为 ： K=420 1100， Kb=100 800， Rf=0.7 0.9， n 0.2 0.5,m=0.02 0.6。 库 底 及 坝 基 大 部 分 位 为 Q2pl 和 Q3pl 覆 盖 层 上 ， Q2pl 和 Q3pl 覆 盖 层 从 其 成 因 分 析 、 现 场 勘 查 以 及 基 础 开 挖 揭 示 情 况 看 存 在 不 同 程 度 的 胶 结 ， 试 验参 数 难 以 反 应 胶 结 程 度 的 影 响 ， 但 考 虑 试 验 的 局 限 性 ， 覆 盖 层 计 算 参 数 采 用 较 的 小 值， 详 见 表 1。（ 2） 次 堆 石 计
10、算 参 数根 据 三 轴 试 验 成 果 确 定 的 次 堆 石 E-B模 型 参 数 ， 一 般 范 围 为 ： K=420 950， Kb=100 500， Rf=0.7 0.9， n 0.2 0.5,m=0.02 0.5。 计 算 采 用 的 次 堆 石 参 数 接 近 根 据 试 验 结 果 确 定 参 数 的 较 小 值 ， 类 比 其 它工 程 ， 计 算 采 用 参 数 也 是 不 高 的 。 （ 3） 主 堆 石 参 数主 堆 石 采 用 水 泉 湾 料 场 开 采 灰 岩 料 。 由 于 受 当 时 试 验 条 件 的 限 制 ， 主 堆 石 试 验 采用 料 源 为 厂 房
11、 地 质 探 洞 洞 渣 料 ， 洞 渣 料 中 薄 层 灰 岩 较 多 ， 其 颗 粒 形 状 及 强 度 不 如 实 际 施 工 时 的 主 堆 石 料 ， 采 用 探 洞 石 渣 料 进 行 试 验 应 是 偏 于 安 全 的 。 计 算 采 用 值 见 表 1。 通 过对 灰 岩 筑 坝 工 程 类 计 算 采 用 值 是 比 较 合 适 的 。表1 E-B模型计算参数表部位（） （）RfKnKbm覆盖层 42.8 2.5 0.9 800 0.3 360 0.03次堆石 44.5 4.2 0.88 527 0.47 246 0.18主堆石 49.1 7.6 0.84 1006 0.17
12、 343 0.023.3.2应力应变分析 (1) 堆石体不同本构模型对面板拉应变的影响用于堆石计算的本构模型常见的有线弹性模型；E-、 E-B、K-G等非线性模型；单屈服面、双屈服面、分部屈服等弹塑性模型等。为研究本构模型的影响，本工程分别采用常用的E-B、K-G 、南水模型进行分析。 E-B、K-G、南水模型所需参数都是基于堆石料的三轴试验，为能使各模型的计算结果具有较好的可比性，各模型计算参数基本以同组三轴试验数据为基础。各模型计算结果表明，坝体及面板应力分布规律大体一致，表明堆石体的本构模型对坝体应力计算结果影响不大。而对坝体变形及面板应变来看，由于不同模型对土体变形尤其是体积变形的描述
13、方法不同，虽然分布规律大体相同，但数值差别较大。面板拉应变计算成果见图1。根据以往工程经验，和类似工程施工期位移观测值类比，E-B模型垂直位移符合比较好，水平位移偏大。而E-B模型在工程上应用较为广泛，且积累了较多的经验，通常在坝体及面板设计过程中以E-B模型计算结果为依据。图1 堆石料本构关系对面板应变的影响 图2面板计算模型对其应力的影响（2） 沥青面板本构模型对面板应变的影响沥青混凝土面为粘弹性材料，温度对其性能影响非常大。沥青混凝土面板刚度较小且有较好的柔性，能够较好地适应坝体的变形。但是当面板的变形梯度即应变超过其允许值时，面板将产生裂缝。日本的沥青混凝土面板设计也是以拉应变来控制的
14、。沥青混凝土参数受温度影响非常大，难以确定一套比较合理的参数。为分析面板本构模型对计算成果的影响，对沥青混凝土面板采用垫层E-B模型及参数、E-模型、粘弹性模型分别进行了计算与析，计算结果见图2。从计算结果可以看出，不同参数和本构模型对面板应变计算成果影响不大，说明沥青混凝土面板以适应坝体变形为主，面板本身的参数和本构关系对其应变影响相对较小。(3) 主、次堆石及覆盖层参数对面板变形的影响主堆石参数对面板变形的影响 为研究主堆石参数变化对面板应变的影响，在坝体三维有限元分析中，将表1主堆石参数的K、Kb均降低1.5倍，分析其对面板变形的影响，计算结果见图3。从计算结果可以看出，如果K、kb均降
15、低1.5倍，面板最大拉应变将提高20左右，主堆石参数对面板应变影响是比较大的。次堆石参数对面板变形的影响采用表2的2 套参数进行计算。从计算结果看，面板顺坡向最大拉应变分别为0.38%和0.39%，基本相等。次堆石参数K与Kb分别相差30%和50% ，尽管两套参数差别比较大，但对坝体应力和变形的影响相当，所以对面板应变的影响不大。表2 次堆石E-B模型参数部位（） （）RfKnKbm次堆石参数1 44.5 4.2 0.88 527 0.47 246 0.18次堆石参数2 46 6.5 0.83 744 0.21 333 0.012覆盖层参数对面板变形的影响在分析覆盖层参数对坝体及面板的应力、应
16、变影响时，对不同覆盖层参数进行了三维有限元计算。计算结果见图4。从前面的分析可以看出，次堆石参数对坝体及面板应力应变影响不大，可以认为在主堆石参数相同时，坝体及面板应力、应变主要是覆盖层参数的影响。因此可以认为图4中的曲线2主要是覆盖层参数变化对面板应变的影响。覆盖层K和Kb均增加65，其它参数不变时，面板应变减少11左右，覆盖层参数对面板应变影响比较大。图4 覆盖层参数对面板拉应变的影响(4)沥青混凝土面板参数对应变的影响沥青混凝土面板在水荷载作用下发生变形时，水温不会低于0，这时沥青混凝土面板弹性模量不会太高，一般在10600 MPa 左右。为分析面板参数对其应力、应变的影响，采用弹性模型，对波松比0.3，弹性模量E=20 20000MPa进行分析，计算结果见图 5。从计算结果可以看出，随着面板模量的减少，面板拉应变有所增加。由于
