山口巖碾壓混凝土拱壩體型優(yōu)化設計

楊志華

(江西省水利規(guī)劃設計研究院，江西　南昌　330029)

山口巖碾壓混凝土拱壩體型優(yōu)化設計

楊志華

(江西省水利規(guī)劃設計研究院，江西南昌330029)

摘要：山口巖拱壩是江西省境內(nèi)第一座碾壓混凝土拱壩，施工圖設計階段根據(jù)地形、地質(zhì)情況，結(jié)合壩體材料性質(zhì)，對拱壩體型進行了優(yōu)化設計，由原設計的圓弧型單曲拱壩優(yōu)化為拋物線型雙曲拱壩，壩體混凝土量減少了3.8萬m3，取得了較為可觀的經(jīng)濟效益。圖2幅，表2個。

關鍵詞：碾壓混凝土拱壩；體型優(yōu)化；設計

1工程概況

山口巖水利樞紐工程位于江西省萍鄉(xiāng)市蘆溪縣境內(nèi)，贛江支流袁水上游，壩址以上控制集雨面積230 km2，水庫正常蓄水位244.00 m(黃海高程，下同)，設計洪水位(P=0.2%)246.20 m，校核洪水位(P=0.05%)246.72 m，死水位221.0 m。水庫總庫容為1.052×108 m3，電站裝機容量12 MW，是1座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合效益的大(2)型水利樞紐工程，主要建筑物有碾壓混凝土拱壩、表孔溢流堰、壩身放空孔、引水隧洞及發(fā)電廠房等。

壩址區(qū)處于構造侵蝕中、低山地貌單元，壩肩兩岸山體雄厚，山頂高程大于400 m，山頂呈尖棱狀。左右兩岸山坡坡角一般為35°～40°，河谷狹窄，兩岸較對稱，巖層走向與河流方向近乎垂直，為橫向“V”型河谷。壩址區(qū)主要分布有震旦系松山群老虎塘組(Zsn)淺變質(zhì)巖系、石炭系下統(tǒng)大塘組測水段(C1d2)碎屑巖系及第四系(Q)松散堆積物，壩基巖體為石炭系下統(tǒng)大塘組測水段沉積碎屑巖系，巖性由礫巖、石英砂巖、細砂巖、炭質(zhì)(或含炭)粉砂巖和長石石英砂巖等組成。

2設計原則、方法及應力控制標準

2.1拱壩體型優(yōu)化設計原則與方法

拱壩體型優(yōu)化設計首先要建立相應的數(shù)學模型，即以目標函數(shù)、設計變量和約束條件出發(fā)建立拱壩體型優(yōu)化設計的數(shù)學模型；影響拱壩工程造價的主要因素是大壩的混凝土方量，所以大壩體型優(yōu)化設計的目標函數(shù)選取為壩體體積。體型優(yōu)化的設計變量包括拱冠梁上游面曲線、拱冠梁下游面曲線、拱冠厚度、拱端厚度、曲率半徑等，約束函數(shù)包括壩體應力、倒懸度、中心角、保凸等，約束函數(shù)應滿足規(guī)范及碾壓混凝土施工要求。編制程序運用罰函數(shù)法及序列二次規(guī)劃法，求解目標函數(shù)的極值點。

2.2壩體應力控制標準

山口巖拱壩屬2級建筑物，且為高拱壩，我國現(xiàn)行《混凝土拱壩設計規(guī)范》(SL 282—2003)規(guī)定，采用拱梁分載法計算時壩體應力控制標準為：2級拱壩在基本荷載組合下容許拉應力不得大于1.2 MPa，對于非地震情況特殊荷載組合，容許拉應力不得大于1.5 MPa；2級拱壩在基本荷載組合下容許壓應力安全系數(shù)為4.0，對于非地震情況的特殊荷載組合，容許壓應力安全系數(shù)為3.5。壩體混凝土主要采用三級配R90200碾壓混凝土，容許壓應力在基本荷載組合時為5.0 MPa，在特殊荷載合時為5.7 MPa。

3設計過程

3.1主要計算參數(shù)

大壩主體混凝土材料為R90200三級配碾壓混凝土，上游面防滲體為R90200二級配碾壓混凝土；大壩壩基(肩)巖性以石英砂巖、碳質(zhì)粉砂巖為主，呈弱風化—微新狀，屬中硬—堅硬巖；壩址多年平均氣溫為17.3 ℃，極端最高氣溫40.1 ℃，極端最低氣溫-9.3 ℃。主要計算參數(shù)如下：

壩體：容重γ=23.5 kN/m3，彈性模量E砼=20.0 GPa，泊松比μ砼=0.175，線脹系數(shù)α砼=1.00×10-5/℃，導溫系數(shù)為3.6 m2/月

基巖：壩肩175 m以上主要為石英砂巖，變形模量E肩=8.3 GPa，泊松比μ肩=0.3。

壩肩175 m以下及壩基主要為碳質(zhì)粉砂巖，變形模量E基=6.0 GPa，泊松比μ基=0.28。

3.2計算工況及荷載組合

拱壩體型優(yōu)化時考慮的主要計算工況及荷載組合如下所示：

工況Ⅰ：水庫正常蓄水位+相應下游水位(無水)+設計正常溫降+泥沙壓力(淤沙高程187.0 m，下同)+壩體自重。

工況Ⅱ：水庫設計洪水位+相應下游水位(167.61 m)+設計正常溫升+泥沙壓力+壩體自重。

工況Ⅲ：水庫死水位+相應下游水位(無水)+設計正常溫升+泥沙壓力+壩體自重。

工況Ⅳ：水庫校核洪水位+相應下游水位(168.27 m)+設計正常溫升+泥沙壓力+壩體自重。

3.3體型優(yōu)化

山口巖碾壓混凝土拱壩初步設計階段推薦方案為單曲拱壩，壩頂高程為247.6 m，壩基最低開挖底高程148.50 m，最大壩高99.1 m；壩底最大寬度32 m，厚高比0.323，壩頂寬度6.0 m，壩軸線圓弧半徑150.0 m，最大中心角109.98°；壩頂長度為287.94 m，壩體混凝土方量為30.9×104m3。施工圖設計階段根據(jù)地形、地質(zhì)情況，結(jié)合壩體材料性質(zhì)，對拱冠梁曲線、拱冠及拱端的厚度、曲率半徑等設計變量進行優(yōu)化。優(yōu)化后的拱壩體型為拋物線雙曲拱壩，壩頂高程為247.6 m，壩基最低開挖底高程為148.50 m，最大壩高99.1 m，壩底最大寬度30 m，厚高比0.303；壩頂寬度5.0m，最大中心角77.71°；壩頂長度為268.23 m，壩體混凝土方量為27.1×104m3(見圖1、圖2，表1、表2)。

圖1　優(yōu)化前拱冠梁剖面

圖2　優(yōu)化后拱冠梁剖面

表2　拋物線雙曲體型與圓弧單曲體型上下游壩面應力對比　MPa

注：壓應力為正，拉應力為負

由表1、表2可以看出，在壩體應力滿足《混凝土拱壩設計規(guī)范》(SL 282—2003)規(guī)定的應力控制標準的前提下，山口巖拱壩優(yōu)化后體型參數(shù)與優(yōu)化前體型比較均有一定幅度的降低，施工圖設計階段優(yōu)化后的拋物線雙曲拱壩混凝土量較初步設計階段推薦方案的單曲拱壩減少3.8萬m3(約12.3%)，取得了較為可觀的經(jīng)濟效益；且優(yōu)化后雙曲拱壩壩體的應力狀態(tài)較初設單曲拱壩有了進一步的改善。

4結(jié)語

山口巖碾壓混凝土拱壩初步設計階段為圓弧單曲拱壩，施工圖設計階段根據(jù)地形、地質(zhì)情況對壩體體型進行了優(yōu)化，優(yōu)化后大壩體型為拋物線型雙曲拱壩，壩體混凝土量減少了3.8萬m3，取得了較為可觀的經(jīng)濟效益；同時也可為類似工程提供借鑒與參考。

參考文獻：

[1]SL 282—2003，混凝土拱壩設計規(guī)范[S]．

[2]蔡新，郭興文，張旭明．工程結(jié)構優(yōu)化設計[M]．北京：中國水利水電出版社，2003．

[3]張國新，劉玉，楊波，等．山口巖水利樞紐工程碾壓混凝土拱壩三維應力變形有限元分析報告[R]． 北京：中國水利水電科學研究院，2006．

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責任編輯吳昊

收稿日期：2016-02-29

作者簡介：楊志華(1978-)，男，工程師，主要從事水工結(jié)構設計工作。