洞河水庫拱壩體型設計及應力分析

張建華 王 棟

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

洞河水庫位于漢江北岸支流月河一級支流洞河下游河段，是一座以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合效益的Ⅲ等中型水庫。水庫樞紐工程由攔河壩、泄洪表孔、泄洪底孔、引水洞、電站廠房和變電站等建筑物組成。

水庫總庫容4627萬m3，調(diào)節(jié)庫容為3256萬m3，設計灌溉面積3.5萬畝，并向灌區(qū)四鎮(zhèn)一鄉(xiāng)11萬人口及漢陰縣工業(yè)園區(qū)年供水量2032萬m3，電站裝機容量3430kW，年發(fā)電量797.52萬kW·h。

本文針對夏家溝壩址的地形、地質(zhì)條件，并結合工程施工條件和當?shù)夭牧戏植?、儲量情況，初步選定碾壓混凝土拱壩作為研究壩型。

2 拱壩布置和體型設計

2.1 建基面擬定原則

根據(jù)《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003），對于拱壩地基巖體主要要求如下：①具有整體性和抗滑穩(wěn)定性；②具有足夠的強度和剛度；③具有抗?jié)B性、滲透穩(wěn)定性和有利的滲流場；④具有在水長期作用下的耐久性；⑤控制地基接觸面形狀對壩體應力分布的不利影響；并要求建基面一般選擇新鮮、微風化或弱風化中下部的基巖。

依據(jù)壩基應力、壩肩巖體風化分級和卸荷裂隙帶的發(fā)育情況，洞河拱壩壩體在332.0m～388.0m，高程建基于弱風化下限～微風化巖體；在大壩上部388.0m～397.5m高程范圍利用弱風化巖體。

2.2 體形設計原則

①壩體具有較大的整體剛度，以提高拱壩的整體安全度；避免拱壩周邊突變，減少壩基局部應力集中；

②在滿足壩體強度要求的前提下，力求壩體應力、位移狀態(tài)良好，并盡量采用扁平拱布置，使拱推力轉向山體內(nèi)部，改善壩肩穩(wěn)定條件；

③控制上游倒懸，改善施工期應力條件盡量使壩體體形簡單，便于施工；

④在各種計算工況下，壩體均有較好的應力、變形狀況，大壩的應力、變形變化幅度合理。

2.3 拱壩推薦體形

拱壩壩頂高程為397.5m，壩底高程332.0m，最大壩高65.5m，壩頂寬6.5m，拱冠壩底厚15.645m，各高程拱圈從拱冠至拱端逐漸變厚；壩頂上游弧長264.473m，最大中心角91.36°，位于378.5m高程；最小中心角61.21°，位于332.0m高程。拱圈中心軸線在拱冠處最大曲率半徑在左岸為121.328m，在右岸為114.476m，最小曲率半徑在左岸為61.747m，在右岸為54.203m；大壩寬高比3.47，厚高比0.24，上游面最大倒懸度0.25，下游面最大倒懸度0.20。大壩控制高程幾何參數(shù)見表2-1，拱壩體型模型見圖2-1。

表2-1 大壩控制高程幾何參數(shù)表

圖2-1 拱壩體型模型

表3-1 封拱溫度表

表3-2 溫度荷載表 單位：℃

表3-3 壩基材料參數(shù)

圖3-1 校核洪水位+溫升工況下，下游面主應力等值線圖（出現(xiàn)主壓應力最大值3.46MPa）

3 應力分析

3.1 主要設計荷載

（1）水、沙荷載

正常蓄水位：上游391.00m，下游無水；

設計洪水位：上游394.53m，下游343.97m；

校核洪水位：上游396.67m，下游345.39m；

死水位：上游358.50m，下游無水；

淤沙高程：353.24m；浮容重：8.0KN/m3；內(nèi)摩擦角：14.0°。

（2）混凝土材料

采用C20碾壓混凝土，并利用其90天齡期的后期強度。

彈性模量：20GPa；泊松比：0.167；

導溫系數(shù)：3m2/月。

（3）溫度荷載參數(shù)

多年平均溫度：15.1℃；

多年平均最低月（1月）氣溫：3.15℃；

多年平均最高月（7月）氣溫：26.29℃；

日照對年平均氣溫的影響：2.0℃；

日照對氣溫年變幅的影響：1.0℃

建筑結構設計是建筑結構設計人員對所要施工項目的完整、具體的意圖表達，是控制建筑造價成本的重要手段。對建筑造價成本的控制貫穿于工程項目決策、設計以及實際施工全過程，結構設計優(yōu)化能夠保證整個建筑設計施工過程的經(jīng)濟性與安全性，從而達到控制工程造價的目的。根據(jù)相關資料表明，建筑結構設計對造價成本的影響力，約占40～70%，因此，做好建筑結構設計工作對控制造價成本有著重要作用[2]。

溫度荷載產(chǎn)生的應力在拱壩的應力中占很大比重，在綜合考慮了溫控冷卻措施、封拱灌漿時間及相應月平均氣溫等因素后確定的封拱溫度如下表3-1。

溫度荷載采用《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003）中推薦的方法計算，計算得出拱冠梁剖面各個設計高程的平均溫度Tm和等效溫差Td（下游面減去上游面），具體參數(shù)見表3-2。

（4）地震荷載

洞河水庫工程區(qū)場地地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.45s。相應的地震基本烈度為Ⅵ度，工程設防烈度為Ⅵ度。

根據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（SL203-97），設計烈度為Ⅵ度時，可不進行抗震計算，故本次計算中未考慮地震荷載。

3.2 壩基材料參數(shù)

洞河拱壩建基面巖體為堅硬的Za1層綠簾片巖，根據(jù)地質(zhì)工作提供的各類巖體力學指標，經(jīng)過分析后，確定壩基各高程綜合變形模量和相應泊松比見下表3-3。

3.3 計算組合

根據(jù)《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003），本階段拱壩的應力分析計算選取以下荷載組合：

基本組合1：正常蓄水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚壓力＋自重＋溫降；

圖3-2 正常蓄水位+溫降工況下，上游面主應力等值線圖（出現(xiàn)主拉應力最大值-1.2MPa）

表3-4 拱梁分載法壩體應力計算匯總表 單位：（MPa）

表4-1 各工況最大徑向位移 單位：cm

圖4-1 正常蓄水位+溫降工況下，徑向位移圖

基本組合2：正常蓄水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚壓力＋自重＋溫升；

基本組合3：設計洪水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚壓力＋自重＋溫升；

基本組合4：死水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚壓力＋自重＋溫升；

特殊組合1：校核洪水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚壓力＋自重＋溫升；

3.4 拱壩體形分析

采用拱梁分載法對壩體的應力進行分析計算，將整個壩體分為7拱15梁。計算采用中國水科院結構所《拱壩體形優(yōu)化程序ADASO》進行計算；計算荷載包括上、下游水壓力、揚壓力、淤沙壓力、壩體自重和溫度荷載。

洞河水庫碾壓混凝土拱壩為3級建筑物，依據(jù)《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003），3級拱壩的混凝土抗壓強度安全系數(shù)對于基本組合采用3.5，對于非地震情況特殊組合采用3.0。因此壩體應力控制標準如下：

①基本組合：主壓應力不大于5.0MPa；主拉應力不大于1.20MPa；

②特殊組合（非地震工況）：主壓應力不大于6.7MPa；主拉應力不大于1.50MPa；

3.5 計算結果

拱梁分載法拋物線拱壩壩體結構應力計算匯總表見表3-4。其中壩體最大主壓應力為3.46MPa，見圖3-1；最大主拉應力為-1 2MPa，見圖 3-2。

4 拱壩徑向位移計算

拋物線拱壩各工況最大徑向位移見表4-1，其中徑向位移最大值為2.39cm，發(fā)生在397.5m高程，正常+溫降工況，見圖4-1。

5 結論

本文扼要地論述了洞河拱壩體型設計，并采用拱梁分載法對洞河水庫碾壓混凝土拱壩進行了五種工況的計算分析，結果表明，在大部分區(qū)域內(nèi)，應力梯度差別較小，應力分布規(guī)律合理，在控制工況下最大主拉應力值、最大主壓應力值也均滿足規(guī)范規(guī)定的應力控制要求。說明大壩體型設計基本合理，此體型參數(shù)經(jīng)上級主管部門審查，認為合理可行，將作為本工程最終采用體型。陜西水利

[1]薛龍可，周秋景，楊波．三河口拱壩初設體型 合 理 性 分 析 [J]．ISSN 1672-3031 CN 11-5020/TV． 中國水利水電科學研究院學報．2013（04）．

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[3]朱伯芳，高季章，陳祖煜．拱壩設計與研究[M]．ISBN 9787508411767．北京:水利水電出版社．2002年12月1日．

[4]李瓚，陳新華，鄭建波，王廣倫．混凝土拱壩設計[M]．ISBN 9787508302171．北京:中國電力出版社．2000年9月1日．