锦屏一级高拱坝断层模拟处理与

第３０卷第２期２　０　１　

２年２月水　电　能　源　科　学

Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．２

Ｆｅｂ．２　０　１　

２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０２－０１０３－

０３锦屏一级高拱坝断层模拟处理与分析

宋　鹏１，２，３

，傅辉云４

（１．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８；２．河海大学水资源高效利用与

工程安全国家工程研究中心，江苏南京２１００９８；３．河海大学水利水电学院，江苏南京２１００９８；

４．宁波市水利水电规划设计研究院，浙江宁波３１５１９２

）摘要：本文对锦屏一级高拱坝左右岸存在的ｆ２、ｆ５、ｆ１３、ｆ１４等断层进行了模拟混凝土置换处理，应用三维有限元法计算了坝体和基础的位移，经比较分析可知，对ｆ５和ｆ１３断层同时进行处理可使坝体和基础的顺河向位移最小，横河向位移更为对称，并减小拱坝整体向右岸的位移。关键词：拱坝；断层；处理；有限元；位移中图分类号：ＴＶ６４２．４

文献标志码：Ａ

收稿日期：２０１１－０６－１９，修回日期：２０１１－０８－

０１基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７９０４６，５０９０９０４１，５０８０９０２５，５０８７９０２４）；江苏省“３３３高层次人才培养工程”基金资助项目（２０１７－Ｂ

０８０３７）；江苏省普通高校研究生科研创新计划基金资助项目（ＣＸ０９Ｂ＿１６３Ｚ）作者简介：宋鹏（１９８６－），男，硕士研究生，研究方向为大坝安全监测和结构安全，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｐ

１８４５＠１６３．ｃｏｍ 锦屏一级水电站位于四川省盐源县、

木里县交界的雅砻江干流，是雅砻江中、下游河段的龙头电站，河道顺直而狭窄，两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，相对高差千余米，为深切“Ｖ”形河谷，河流流向为Ｎ２５°Ｅ。坝体选型为混凝土双曲拱坝，坝顶高程１　８８５ｍ，坝底高程１　５８０ｍ，正常蓄水位１　

８８０ｍ，总库容７７．６×１０８　ｍ３

，装机容量３　６００ＭＷ，为目前世界上已建、在建和设计中最高的双曲薄拱坝。

坝址区河床及两岸基岩主要由中上三叠统杂谷脑组变质岩组成，

另外还有少量后期侵入的煌斑岩脉。坝区岩体受构造影响强烈，断层、层间挤压错动带、节理裂隙等各类结构面发育。左岸存在ｆ５、ｆ２断层，ｆ５断层贯穿分布于坝址左岸山体内，

产状Ｎ３５°～４５°Ｅ，ＳＥ∠７０～８０°；ｆ２断层发育在左岸１　６５０～１　７００ｍ高程之间的大理岩中，产状Ｎ３０°～

４０°Ｅ，ＮＷ∠４０～５６°。右岸发育有ｆ１３、ｆ１４断层，ｆ１３断层贯穿分布于坝区右岸山体内，断层产状Ｎ５０°Ｅ，ＳＥ∠７０°；ｆ１４断层从Ⅱ勘探线南侧延伸至Ⅳ

勘探线北侧，产状Ｎ５２°Ｅ，ＳＥ∠６５～７０°［１］

。由于拱

坝为固接于基岩上的空间高次超静定结构，断层的存在将导致坝体和基础产生不均匀变位，影响坝体

的应力分布，甚至引起坝体破坏［２

］。鉴此，本文对

各断层分别进行了混凝土置换模拟，在此基础上应用有限单元法计算断层处理对坝体和基础位移的影响，以改善结构运行状况，确保工程安全稳定运行。

１　有限元模型的建立

锦屏一级高拱坝三维有限元模型范围为：

以坝轴线为中心，上游侧顺河向取１倍坝高，下游侧顺河向取１．５倍坝高，顶拱坝肩向两岸各延伸１倍坝高，建基面１　５８０ｍ高程以下取１倍坝高。模型充分考虑了河谷地形主要特征，模拟了右拱端上游的普斯罗沟、坝肩槽开挖坡、左岸断层（ｆ５、ｆ２）及右岸（ｆ１３、ｆ１４）等地质构造及坝区分布的各种岩体。划分单元时，考虑断层走向、软弱带和各级岩体的分布，主要采用六面体八节点等参单元和少量五面体六节点等参单元，

在一些衔接部位还采用了四

面体四节点单元及五面体五节点单元。模型共有１３７　５５０个单元，其中坝体单元４　２３３个，断层单元６　

０１１个，见图１。图１　三维有限元模型Ｆｉｇ．

１　３ＤＦＥＭ　ｍｏｄｅｌ２　材料参数及荷载组合

锦屏一级高拱坝三维有限元模型划分为混凝土和Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级岩体及断层岩体５个材料类别，其分布为：坝体与坝肩开挖槽为混凝土，左岸ｆ５、ｆ２断层附近为Ⅱ、Ⅲ级岩体；

左岸拱座下游面主要为Ⅳ级岩体，右岸ｆ１３、ｆ１４断层间主要为Ⅱ级

岩体，右岸拱座下游面主要为Ⅳ级岩体，右岸及河床弱卸荷带以里、左岸深部拉裂影响区以里为Ⅱ级岩体，河床浅部和河床基岩表面为Ⅲ级岩体，断层ｆ５、ｆ２、ｆ１３及ｆ１４归并为断层岩体。各类材料的力学参数见表１。

表１　材料力学参数

Ｔａｂ．１　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ

材料类型弹性模量

／ＧＰａ

泊松比

密度

／（ｋｇ·ｍ－３）

粘聚力

／ＭＰａ

摩擦

因数

坝体混凝土２４．０００　０．１６７　２．４００　１．６５０　１．１８０Ⅱ级岩体２５．０００　０．２００　２．７００　２．０００　１．３５０Ⅲ级岩体６．５００　０．２００　２．７００　１．５００　１．０７０Ⅳ级岩体１．４００　０．３００　２．７００　１．０００　０．８００断层岩体０．４００　０．３８０　１．９００　０．０７０　０．４２０

荷载组合拟定为：上游正常蓄水位＋自重＋设计温降。荷载计算中，岩体自重为建坝前形成的岩体自重应力场，以初始应力场计入。上游坝面水压力根据相应设计资料以面力方式进行模拟［３］。

３　计算结果分析

采用国际上通用的非线性有限元分析软件Ｍａｒｃ［４］计算。分别就未处理断层、单独处理断层（ｆ５、ｆ２、ｆ１３、ｆ１４）及ｆ５、ｆ１３同时处理等工况做了混凝土置换模拟分析，混凝土材料参数拟定为弹模２４．０ＧＰａ、泊松比０．１６７。结果表明ｆ２与ｆ１４断层的处理与否对坝体和基础位移影响较小，本文仅对未处理断层（工况１）、处理断层ｆ５（工况２）、同时处理断层ｆ５、ｆ１３（工况３）进行对比分析。３．１　工况１

（１）坝体位移。①顺河向。位移值从拱端至拱圈中部逐渐增大，最大位移６．０９３ｃｍ，出现在１　７５０ｍ高程拱冠左侧２０ｍ处坝体上游面。左侧１／４拱最大值为４．４９２ｃｍ，出现在１　８３０ｍ高程；右侧１／４拱最大值为４．０５６ｃｍ，出现在１　７９０ｍ高程，且在１　８８５ｍ高程左侧相对右侧位移达最大值２．０６４ｃｍ，反映出左岸基础刚度小于右岸。

②横河向。位移较大的区域出现在左右１／４拱附近，在左侧位于１　８３０ｍ高程，最大值为１．６５１ｃｍ；在右侧位于１　７９０ｍ高程，最大值为１．３７０ｃｍ。左右侧方向均指向拱冠。左右１／４拱最大相对位移０．４５０ｃｍ，出现在１　８８５ｍ高程，位移云图见图２。

（２）基础位移。①顺河向。位移较大区域均位于下部高程的两岸坝趾附近，右岸最大位移为１．４９６ｃｍ，位于１　６００ｍ高程坝趾；左岸最大位移为１．７１３ｃｍ，位于１　６００ｍ高程坝趾。左岸上部的位移明显大于右岸相应高程，并在１　８２０ｍ高程附近，左岸位移值高出右岸０．７５１ｃｍ。②

横河

图２　坝体上游面位移云图（单位：ｍ）

Ｆｉｇ．２　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｏｕｒ　ｂａｎｄ　ｏｆ　ｄａｍ’ｓ

ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｆａｃｅ

向。两岸的位移分布规律相同，分别指向两岸，位移较大的区域位于中下部高程的坝趾附近，其中左岸位移最大值为１．１０６ｃｍ，位于１　６４０ｍ高程坝趾，右岸为１．３０８ｃｍ，位于１　６４０ｍ高程坝趾。３．２　工况２

（１）坝体位移。①顺河向。对断层ｆ５进行混凝土置换处理后，位移最大值５．８７６ｃｍ，较未处理时减小３．５６％，位于拱冠梁左侧附近１　７５０ｍ高程，左右１／４拱最大值与未处理时位置相同，分别为３．９５６、３．９４２ｃｍ，较未处理时减小１１．９３％、３．０５％；左侧相对右侧最大位移１．８６７ｃｍ，出现于１　８８５ｍ高程处，较未处理减小９．５５％。②横河向。位移最大值仍出现于左右１／４拱附近的１　８３０、１　７５０ｍ高程，分别为２．０４２、１．１２１ｃｍ，均指向拱冠，最大相对值１．６９２ｃｍ出现于１　８８５ｍ高程。

（２）基础位移。①顺河向。最大值位于１　６００ｍ高程坝趾，左岸为１．５７５ｃｍ，较未处理减小８．０６％；右岸为１．４５０ｃｍ，较未处理减小３．０８％，并在１　８６０ｍ高程右岸比左岸高出０．２５２ｃｍ的位移极值。②横河向。最大值左岸为０．９７０ｃｍ，出现于１　６２０ｍ高程坝趾并指向左岸；右岸为１．３３３ｃｍ，出现在１　６４０ｍ高程坝趾并指向右岸。

与工况１相比，工况２坝体顺河向位移最大值减小且趋于拱冠，左右１／４拱处最大值减小且更为对称。基础顺河向最大值减小，最大变形差值由左岸大于右岸转换为右岸大于左岸，量值减小了６６．４４％，表明处理ｆ５断层后提高了左岸岩体的整体刚度。坝体和基础横河向位移调整后表现出整体向右岸偏移，其中坝体左右１／４拱处最大相对位移增大１１７．４８％，导致了坝体拱圈产生较大的层间错动，为此考虑同时处理ｆ１３断层。３．３　工况３

（１）坝体位移。①顺河向。最大位移出现在拱冠梁上１　７４０ｍ高程，其值为５．６２２ｃｍ。左右

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