楊房溝水電站混凝土高拱壩體形設(shè)計(jì)

黃熠輝，張偉狄，于 青，殷 亮

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

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楊房溝水電站混凝土高拱壩體形設(shè)計(jì)

黃熠輝，張偉狄，于 青，殷 亮

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

介紹了楊房溝高拱壩的建基面設(shè)計(jì)，利用浙江大學(xué)ADAO程序進(jìn)行了拱壩體形優(yōu)化以及拱梁分載法應(yīng)力變形分析，并采用三維線彈性有限元法進(jìn)行了壩體應(yīng)力變形復(fù)核。最后對壩基綜合變形模量及封拱溫度進(jìn)行敏感性分析，研究壩基模量及封拱溫度變化對大壩應(yīng)力的影響,論證了楊房溝拱壩的設(shè)計(jì)體形對壩址及封拱溫度具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

拱壩；拱梁分載法；有限元法；應(yīng)力變形分析；優(yōu)化

1 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，電站控制流域面積8.088萬km2，多年平均流量896 m3/s。工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站正常蓄水位2 094.00 m，相應(yīng)庫容為4.558億m3，總裝機(jī)容量1 500 MW。本工程為一等工程，工程規(guī)模為大(1)型。樞紐主要建筑物由擋水建筑物、壩身泄洪孔口及壩下水墊塘消能建筑物及左岸引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155.00 m，為1級建筑物，按500 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，5 000 a一遇洪水校核，壩址地震基本烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度，大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取基準(zhǔn)期100 a超越概率為2%，相應(yīng)基巖水平地震動(dòng)峰值加速度為302.4 gal。

2 拱壩建基面設(shè)計(jì)

壩址處兩岸為陡坡地形，左岸坡度約45°～60°，右岸坡度約50°～70°，山體雄厚完整，河谷深切，呈基本對稱的“V”形，河谷寬高比約2.05。樞紐區(qū)主要出露地層主要為燕山期花崗閃長巖，屬于堅(jiān)硬巖，Ⅲ1類巖體飽和抗壓強(qiáng)度為60～80 MPa，變形模量為8～12 GPa。巖體風(fēng)化卸荷較淺，多為弱風(fēng)化巖體出露。左岸基巖面以下Ⅲ1類巖體頂面平均埋深為14.20 m，基巖面以下Ⅱ類巖體頂面平均埋深為42.00 m；河床基巖面以下Ⅲ1類巖體頂面平均埋深為21.80 m，基巖面以下Ⅱ類巖體頂面平均埋深為24.40 m；右岸基巖面以下Ⅲ1類巖體頂面平均埋深為12.50 m，基巖面以下Ⅱ類巖體頂面平均埋深為38.80 m。

兩岸邊坡弱風(fēng)化上段下限埋深均較淺，考慮到混凝土拱壩壩肩嵌深的要求，同時(shí)弱風(fēng)化上段巖體屬Ⅲ2類～Ⅳ類巖體，巖體性狀相對較差，不宜直接作為壩基。根據(jù)拱壩受力條件，壩基可利用巖體也應(yīng)有所區(qū)別，確定以下建基標(biāo)準(zhǔn)：壩體下部建基在微風(fēng)化、弱風(fēng)化下段、無卸荷的Ⅱ類、Ⅲ1類巖體的基巖上；壩體中部可建基在弱風(fēng)化下段、無卸荷的Ⅲ1類巖體的基巖上；壩體上部可建在弱風(fēng)化下段、無卸荷的Ⅲ1類、局部Ⅲ2類巖體的基巖上。

根據(jù)以上原則，結(jié)合河床鉆孔資料，確定拱壩河床部位建基面高程為1 947.00 m，兩岸下游拱端點(diǎn)水平嵌深約10.00～36.00 m，左岸壩基平均嵌深28.60 m，右岸平均嵌深21.60 m。整個(gè)拱壩建基面巖體質(zhì)量較好，左岸壩基Ⅱ類巖體約占60.2%，Ⅲ1類巖體約占37.5%，Ⅲ2類巖體約占2.3%，右岸壩基Ⅱ類巖體約占64.3%，Ⅲ1類巖體約占35.7%。采用平面線彈性有限元法對特征高程壩基的風(fēng)化卸荷巖體分區(qū)及主要結(jié)構(gòu)面進(jìn)行模擬，計(jì)算出各特征高程壩基的綜合變形模量。拱壩下游拱端點(diǎn)水平嵌深及壩基綜合變形模量計(jì)算成果見表1。

表1 拱壩各特征高程下游拱端水平嵌深及壩基綜合變形模量成果表

高程/m210220802060204020202000198019601947左岸嵌深/m9.5027.1033.4036.1031.4035.8031.3023.80變模/GPa10.411.211.712.512.513.614.715.016.0右岸嵌深/m11.0012.2021.5026.0030.7025.0026.0020.20變模/GPa10.711.412.112.412.613.313.613.916.0

3 體形設(shè)計(jì)

水庫正常蓄水位為2 094.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為2 096.27 m，校核洪水位為2 099.91 m，死水位為2 088.00 m，壩頂高程為2 102.00 m。壩址多年平均氣溫為16.5 ℃，溫降年變幅為8.6 ℃，溫升年變幅為5.4 ℃。封拱溫度自上而下采用15，14，13，12 ℃四級。

采用浙江大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所編制的“拱壩分析與優(yōu)化軟件系統(tǒng)ADAO”進(jìn)行拱壩體形優(yōu)化和應(yīng)力變形計(jì)算分析。對近年來應(yīng)用較多的拋物線、橢圓、對數(shù)螺旋線3種線型進(jìn)行楊房溝拱壩體形設(shè)計(jì)比選。主要結(jié)論如下：

(1)在同樣的幾何約束條件和應(yīng)力約束條件下，進(jìn)行拱壩體形等應(yīng)力優(yōu)化(基本荷載組合下最大主拉應(yīng)力控制相等)，3種線型拱壩體形參數(shù)相差不大，體形非常接近。從壩體混凝土方量上來看，拋物線拱壩基本體形方量最少，比橢圓拱壩和對數(shù)螺旋拱壩節(jié)省約1.5萬m3的混凝土，占壩體總方量的2%。

(2)在等體積約束條件下，拋物線拱壩的徑向位移最小，對數(shù)螺旋拱壩其次，橢圓拱壩最大；應(yīng)力相差較小，拋物線拱壩應(yīng)力略小于其它2種線型；拋物線拱壩高應(yīng)力節(jié)點(diǎn)數(shù)也小于橢圓拱壩和對數(shù)螺旋拱壩；從拱壩對壩基的適應(yīng)性角度來看，拋物線拱壩稍好于橢圓拱壩和對數(shù)螺旋拱壩。

拋物線是拱壩應(yīng)用較多的線型，我國近年來一些混凝土高拱壩，如周公宅、牛頭山、東風(fēng)、二灘、小灣、溪洛渡、錦屏一級等高拱壩均選用了該種線型，工程經(jīng)驗(yàn)較多，其具有對河谷地形地質(zhì)條件適應(yīng)性較強(qiáng)、抗震安全性較高、便于設(shè)計(jì)調(diào)整等特點(diǎn)。因此楊房溝拱壩水平拱圈采用拋物線線型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

經(jīng)拱梁分載法和三維線彈性有限元法進(jìn)一步優(yōu)化，確定楊房溝拱壩體形參數(shù)見表2，拱圈平面和梁剖面見圖1。

表2 拱壩主要特征參數(shù)表

續(xù)表2

圖1 拱壩基本體形圖

4 拱梁分載法應(yīng)力及變形分析

根據(jù)現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范，采用拱梁分載法進(jìn)行壩體位移應(yīng)力分析，計(jì)算程序采用浙江大學(xué)ADAO。壩體混凝土主要采用C18030 和C18025兩種分區(qū)，各種荷載組合下拱壩應(yīng)力變形成果見表3。從計(jì)算成果可知，在各種工況下壩體上下游面的最大主應(yīng)力值均小于應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，壩體應(yīng)力分布均勻，滿足規(guī)范要求。

表3 拱壩應(yīng)力變形計(jì)算成果表

根據(jù)基巖分區(qū)及其變形模量的取值范圍經(jīng)計(jì)算得出的綜合變形模量與實(shí)際情況可能存在一定的差異，因此分析壩基變形模量浮動(dòng)對壩體應(yīng)力的影響是十分必要的，它可以檢驗(yàn)拱壩對壩基變模變化的適應(yīng)能力，考慮到楊房溝拱壩壩址工程區(qū)巖性單一，壩基范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的巖體質(zhì)量缺陷，因此只進(jìn)行壩基變模整體浮動(dòng)分析，分別按下浮20%、下浮10%、上浮10%、上浮20%考慮。隨著壩基變模的下浮，壩體上游面主壓應(yīng)力和下游面主拉應(yīng)力略有增大，但壩體最大主拉應(yīng)力(上游面)、最大主壓應(yīng)力(下游面)均減小；隨著壩基變模的上浮，壩體最大主拉、主壓應(yīng)力相應(yīng)增大，上游面主拉應(yīng)力相對增加明顯，下游面主壓應(yīng)力則相對變化較小。壩基變模整體上浮20%時(shí)，基本組合工況下，壩體上游面最大主拉應(yīng)力均小于1.20 MPa，下游面最大主壓應(yīng)力均小于6.82 MPa；偶然組合工況下，壩體上游面最大主拉應(yīng)力小于1.50 MPa，下游面最大主壓應(yīng)力小于8.02 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，拱壩設(shè)計(jì)體形具有較強(qiáng)的適應(yīng)壩基變模浮動(dòng)變化的能力。

考慮實(shí)際施工情況，壩體實(shí)際封拱溫度與設(shè)計(jì)值可能有一定的變化，因此分析了壩體應(yīng)力對封拱溫度的敏感性。拱壩上游面主拉應(yīng)力對封拱溫度比較敏感，隨封拱溫度降低而減小，而下游面主壓應(yīng)力則不敏感。壩體封拱溫度上浮1 ℃、下浮1 ℃時(shí)，壩體最大主拉主壓應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，因此，楊房溝拱壩體形能夠適應(yīng)一定范圍的封拱溫度變化。

5 線彈性有限元法應(yīng)力變形分析

采用大型通用有限元程序ANSYS對楊房溝高拱壩進(jìn)行了三維線彈性有限元分析，壩體及基巖絕大部分區(qū)域采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元?jiǎng)澐?，局部采?節(jié)點(diǎn)5面體單元過渡。壩體網(wǎng)格沿壩厚均分為5層，模型共31 045個(gè)單元、38 106個(gè)節(jié)點(diǎn)。

經(jīng)計(jì)算，壩體順河向位移為4.5～5.3 cm，均發(fā)生在拱冠梁上部高程，與拱梁分載法計(jì)算成果基本吻合。由于有限元應(yīng)力集中影響，拱壩上游面最大主拉應(yīng)力約2.70～3.10 MPa，發(fā)生在壩踵附近；下游面最大主壓應(yīng)力約7.30～8.00 MPa，發(fā)生在1 990.00～2 010.00 m高程右拱端。各工況下壩體應(yīng)力與變形符合拱壩一般規(guī)律，除壩基面附近外，上游面絕大部分范圍第一主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，即這些區(qū)域均處于三向受壓的狀態(tài)；上游面的拉應(yīng)力分布范圍極小，僅出現(xiàn)在壩踵附近約1/20倍壩高范圍以內(nèi)；下游面建基面1/20壩高以上范圍，主壓應(yīng)力小于6.00 MPa。

由于線彈性有限元計(jì)算的成果在角緣附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力一般較大，根據(jù)DL/T 5346—2006《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的規(guī)定，并參考朱伯芳等著的《拱壩設(shè)計(jì)與研究》[2]，將應(yīng)力計(jì)算成果進(jìn)行等效處理：

① 基本組合下壩體最大主拉應(yīng)力略小于1.50 MPa，偶然組合下壩體最大主拉應(yīng)力約1.80 MPa，均小于應(yīng)力控制值，發(fā)生在底拱上游面右拱端處；

②基本組合下壩體最大主壓應(yīng)力約6.40 MPa，偶然組合下壩體最大主壓應(yīng)力約6.50 MPa，均小于應(yīng)力控制值，發(fā)生在壩體下游面2 000.00～2 010.00 m高程右拱端。

6 結(jié) 語

本文根據(jù)楊房溝水電站壩址地形地質(zhì)條件，結(jié)合巖體質(zhì)量情況，確定了拱壩建基面，左岸平均水平嵌深28.60 m，右岸平均水平嵌深21.60 m。根據(jù)國內(nèi)高拱壩設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對應(yīng)用較多的拋物線、橢圓、對數(shù)螺旋線三種線型進(jìn)行了比較研究，最終采用拋物線線型，并對優(yōu)化出的拱壩體形進(jìn)行了拱梁分載法及三維線彈性有限元法應(yīng)力變形計(jì)算，分析成果表明壩體應(yīng)力滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)體形是合理可行的。

[1]上海勘測設(shè)計(jì)研究院，長江水利委員會(huì)長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.DL/T 5346—2006混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國電力出版社，2007.

[2]朱伯芳.拱壩設(shè)計(jì)與研究[M].北京:中國水利水電出版社，2002：386-388.

(責(zé)任編輯 姚小槐)

2015-10-08

黃熠輝(1979-)，男，高級工程師，碩士，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:huang-yh@ecidi.com

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10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.01.021