峽口拱壩體型優(yōu)化設(shè)計

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簡介： 峽口水利站拱壩在技施設(shè)計階段，通過對壩址地形，地質(zhì)條件深入細致的研究，從拱壩壩基開挖線優(yōu)化著手，將初設(shè)階段的等厚水平圓拱圈優(yōu)化為變厚的拋物線型拱圈的雙曲拱壩，在使壩體應(yīng)力水平滿足要求的前提下，節(jié)省了壩基開挖及壩體混凝土工程量。關(guān)鍵詞：壩基開挖線優(yōu)化 等厚水平圓拱圈 變厚的拋物線型拱圈
關(guān)鍵字：壩基開挖線 拋物線型拱圈 優(yōu)化設(shè)計

1  工程概況

峽口水利水電樞紐工程位于湖北省南漳縣沮河上游峽口鎮(zhèn)西1km，距下游遠安縣城50km。工程以防洪為主，兼有發(fā)電、灌溉等綜合效益。水庫總庫容1.36億m³，電站總裝機3萬kw，工程等級為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型。水庫設(shè)計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為1000年一遇。工程于2002年動工，目前正在施工中。

工程主要由混凝土雙曲拱壩、右岸引水式電站組成，采用壩身兩個中孔及三個表孔聯(lián)合泄洪。中孔每孔寬6.5m，高7.5m，表空每孔凈寬13m。

初設(shè)階段推薦壩型為水平圓形拱圈的雙曲拱壩，最大壩高85.8m，壩頂高程267.70m，壩底高程181.90m，壩頂厚7m，底厚18m，壩頂弧長191.8m，中心角96.825°。壩體混凝土方量13.1萬m³。

工程位于揚子準臺地中部，區(qū)域穩(wěn)定性好，地震基本烈度6度。

2  壩基開挖線優(yōu)化設(shè)計

在進行拱壩體形優(yōu)化前，應(yīng)先對壩基開挖線進行優(yōu)化。壩基開挖線優(yōu)化牽涉面廣，對后續(xù)工作影響大，而目前國內(nèi)外還沒有公認合理、簡單可行的優(yōu)化程序，因此主要通過對壩址地形及工程地質(zhì)條件，根據(jù)一些基本原則和工程經(jīng)驗，由水工專業(yè)人員和地質(zhì)專業(yè)人員進行深入研究、反復斟酌、多次比選和修改來完成。

峽口水利水電樞紐工程壩區(qū)構(gòu)造簡單，為單斜巖層，走向330°～355°，傾向240°～265°，傾角8°～15°；壩區(qū)斷裂較發(fā)育，多數(shù)為張性正斷層，走向NE10°～50°之間，橫切或斜切河谷，斷層錯距小，破碎帶也很小，傾角一般60°～80°；右壩肩有F11、F12兩斷層，均為高傾角正斷層，斷層錯距小，破碎帶0～20cm，均與岸坡大角度斜交，只要對拱壩軸線及中心線進行微調(diào)，即可做到使拱推力方向與主要的斷層面基本正交。分析表明，初設(shè)階段推薦的壩軸線是合理的。

壩址區(qū)巖層為白堊系紅花套組和羅鏡灘組。紅花套組分布于峽谷出口兩側(cè)，巖性為紫紅色砂巖，粉沙巖；羅鏡灘組廣泛分布于壩址區(qū)，上段為紅色厚層礫巖夾紫紅色中厚層砂巖，中段和下段為紫紅色巨厚層礫巖。右岸236m以下，左岸228m以下均為羅鏡組第一段巨厚層礫巖；左岸236m～261m,右岸236m～247m為羅鏡組第二段紫紅色中厚層狀砂巖。

礫巖具有強度高、變形低的特點，其抗風化能力強，微風化下限0～3m。砂巖抗風化能力次之，局部有弱風化，具有中等強度及變形。壩區(qū)巖溶不發(fā)育，僅局部具有溶蝕裂隙。河床覆蓋層厚度約8m。

根據(jù)上述壩址地質(zhì)條件，在進行壩基開挖線的優(yōu)化時，制定了兩條基本原則：一方面，使高強度和小變形的礫巖區(qū)的開挖深度較小，而中等強度和變形的砂巖區(qū)的開挖深度則相對較大，從而保證壩基坐落于新鮮巖層或微風化巖層上；另一方面盡量使開挖線輪廓基本對稱，消除局部過大的凸凹，保證了壩體不致出現(xiàn)過大的局部應(yīng)力集中，并減少開挖量。

圖1為優(yōu)化后的壩基開挖線。從圖中可以看出，最后確定的開挖線很好的滿足了以上條件。

圖1  壩基開挖線優(yōu)化結(jié)果圖

3  拱壩壩型優(yōu)化設(shè)計

峽口水利水電樞紐工程初設(shè)階段推薦的壩型為水平圓形拱圈的雙曲拱壩，在技施設(shè)計階段，對壩型進行了優(yōu)化?？紤]到以下兩方面的因素，在技施設(shè)計階段，決定采用拋物線拱圈代替初設(shè)階段推薦的圓形拱圈。

峽口壩址位于峽谷出口上游200m處，270.0m高程河谷寬142.5m，常水位河面寬50m，河谷寬高比1:1.6，河道兩岸順直，左右山體雄厚，岸坡平直。左岸250m以下，基巖裸露；右岸255m高程以下基巖裸露，255m以上有植被覆蓋。兩岸295m高程以下邊坡陡峭，坡度70°～80°，呈左右基本對稱的典型“V”河谷。這種地形條件是技施設(shè)計階段決定采用拋物線拱圈的主要原因。

同時，拋物線型變厚拱圈拱冠部分曲率大，拱端趨平緩，厚度從拱冠到拱端逐漸增厚，可以更好地降低壩體整體應(yīng)力水平，節(jié)省混凝土工程量，也更有利于壩肩穩(wěn)定。這是在技施設(shè)計階段決定采用拋物線拱圈的重要原因。

4  拱壩體形優(yōu)化設(shè)計

4．1 體形優(yōu)化程序

為確保優(yōu)化結(jié)果合理，并進行互相比較，本次采用了中國水利水電科學研究院材料所編制的“ADASO”拱壩體型優(yōu)化程序和浙江大學水工結(jié)構(gòu)研究所編制的“ADAO”拱壩體形優(yōu)化程序進行優(yōu)化計算?！?/span>ADASO”程序在我院先前設(shè)計的湖北宜都市境內(nèi)漁洋河中游的熊渡水電站拱壩和湖北宣恩縣城附近龍洞河上的龍洞水電站拱壩設(shè)計中均使用過，與觀測成果符合較好；“ADAO”程序界面友好、功能較全面。

兩程序均為9拱19梁布置，采用相同的設(shè)計參數(shù)。

4．2  設(shè)計參數(shù)

（1）體型參數(shù)

拱冠梁中心線曲線、拱冠梁厚度、拱端厚度以及拱冠梁中軸線的曲率半徑等均用三次多項式方程擬合。

拋物線形拱圈任一點i處的拱圈厚度用下列公式表達：

式中，T_i為任一點i處的拱厚，T_a為拱端處拱厚，T_c為拱冠梁處拱厚，S_i為水平拱圈中心線上i點處沿中心線至拱冠梁的弧長，S_a為水平拱圈中心線上拱端沿中心線至拱冠梁的弧長，n為指數(shù)，在拱圈參數(shù)描述行中提供。

（2）計算工況

采用了4種工況進行計算，分別為：正常蓄水位+泥沙壓力+自重+設(shè)計正常溫降，正常蓄水位+泥沙壓力+自重+設(shè)計正常溫升，效核洪水位+泥沙壓力+自重+設(shè)計正常溫升，死水位+泥沙壓力+自重+設(shè)計正常溫降升。

（3）水庫特征水位及淤砂參數(shù)

壩頂高程267.8m，壩底高程183.0m；校核洪水位266.17m，相應(yīng)下游水位203.05m；正常蓄水位264.13m，相應(yīng)下游水位201.05m；死水位248.13m，相應(yīng)下游水位 193.4m。

淤砂高程 210.0m，淤砂浮容重0.9 t/m³，淤砂內(nèi)摩擦角14°。

（4）壩體及基巖物理力學參數(shù)

壩體混凝土容重24kN/m³，彈性模量18000MPa，泊松比0.167，溫度線漲系數(shù)0.000008，基巖變形模量15000 MPa，泊松比0.15。

（5）溫度參數(shù)

溫度參數(shù)見表1。

表1  溫度參數(shù)

代碼

參數(shù)

數(shù)值

代碼

參數(shù)

數(shù)值

Ta

多年平均氣溫

15.37℃

DTa

日照對水位以上壩面多年平均溫度的影響

2℃

AaD

氣溫年變幅（溫降）

12.55℃

DAa

日照對水位以上壩面溫度年變幅的影響

2℃

AaI

氣溫年變幅（溫升）

12.55℃

Tor0

初相位（氣溫最高的月份，常取6.5，即7月中旬）

6.5月

Tasho

上游面多年平均表面水溫

16.8℃

dTasho

日照對上游面多年平均表面水溫的影響

2℃

Tkd

庫底或上游恒溫層的溫度

10.5℃

AshDo

上游面表面水溫年變幅（溫降）

11.75℃

HTkd

上游恒溫層的高程

183.0m

AshIo

上游面表面水溫年變幅（溫升），11.75℃

Taxio

下游面多年平均表面水溫

16.38℃

dAsho

日照對上游表面水溫年變幅的影響

2℃

Txid

下游恒溫層的溫度

16.8℃

dTaxio

日照對下游面多年平均表面水溫的影響

2℃

HTxid

下游恒溫層的高程

183.0m

dAxio

日照對下游表面水溫年變幅的影響

2℃

AxiDo

下游面表面水溫年變幅（溫降）

11.75℃

AxiIo

下游面表面水溫年變幅（溫升）

11.75℃

（6）約束條件

基本組合時，允許最大主壓應(yīng)力5.25MPa, 允許最大主拉應(yīng)力 1.18 MPa。

特殊組合，允許最大主壓應(yīng)力6.25 MPa, 允許最大主拉應(yīng)力 1.47 MPa。

上下游壩面最大允許倒懸度0.25。

壩頂最小厚度5m。

（7）計算結(jié)果分析

對比兩種優(yōu)化計算程序的計算結(jié)果，兩者相差不大。本文主要給出“ADAO”程序計算結(jié)果。

根據(jù)“ADAO”程序優(yōu)化計算結(jié)果繪制的拱冠梁剖面及壩體俯視圖見圖2和圖3。與初設(shè)體型參數(shù)對比見表2。

圖2 拱冠梁剖面

圖3 拱拱壩俯視圖

表2  技施與初設(shè)體型參數(shù)對照表

部位

高程(m)

拱冠處厚度(m)

拱冠處曲率半徑(m)

左中心角(度)

右中心角(度)

外弧長(m)

初設(shè)體型

壩頂

267.7

7

113.5

49.7858°

47.0389°

191.8

技施體型

267.8

5

81.8

44.62°

45.03°

185.3

初設(shè)體型

壩底

181.9

18

61.27

27.951°

27.591°

59.78

技施體型

183

16

43.7

32.35°

33.08°

58.8

從表2可以看出，技施與初設(shè)體型相比，壩頂、壩底厚度均有較明顯的減小，壩底高程抬高了1.1m，壩頂和壩底的外弧長均有明顯減少。最大壩高由85.8m減小為84.8m，壩體混凝土工程量由131845m³減小為119152m³，節(jié)約了12693m³。壩基石方開挖減少約1.1萬m³。而且，壩體最大倒懸度由0.3減為0.25（在上游面壩腳處），方便了施工。

表3為“ADAO”程序計算的壩體應(yīng)力統(tǒng)計表。從表3可以看出，各工況上下游最大的拉或壓應(yīng)力數(shù)值均在約束范圍以內(nèi)，且與允許的最大拉壓應(yīng)力小較多。初設(shè)、技施階段壩體應(yīng)力控制工況均為“工況1”即“校核水位+溫升”上游面第二主應(yīng)力。表4、表5分別為初設(shè)、技施階段壩體上游面第二主應(yīng)力（表中負號表示拉應(yīng)力，單位MPa, 高程單位m，其余工況應(yīng)力結(jié)果此處從略）。對比兩表可以看出，技施階段受拉區(qū)范圍、拉應(yīng)力數(shù)值比初設(shè)階段均有較大幅度的減小。

表3  壩體應(yīng)力統(tǒng)計表

計算工況

上游壩面主應(yīng)力最大值

下游壩面主應(yīng)力最大值

拉

位置　

壓

位置　

拉

位置　

壓

位置　

封拱時

0.31MPa

[4R,0C]

3.17MPa

［9R,1C］

0.28MPa

［9R,1C]

1.90MPa

［6R,0C]

工況1

0.72MPa

[6R,-4C]

3.28MPa

［1R,-9C］

0.18MPa

［2R,-7C]

3.71MPa

［5R,-5C]

工況2

0.38MPa

[7R,3C]

3.04MPa

［1R,-9C］

0.65MPa

［4R,6C]

2.59MPa

［7R,0C]

工況3

0.65MPa

[6R,-4C]

3.27MPa

［1R,-9C］

0.21MPa

［2R,-7C]

3.45MPa

［6R,-4C]

工況4

0.65MPa

[5R,5C]

2.60MPa

［8R,2C］

0.62MPa

［8R,1C]

3.53MPa

［5R,5C］

注：表中[6R,-4C]表示，第6拱圈，從拱冠向左岸數(shù)（無“-”號則為右數(shù)）第4根梁的交點處，其他類推。

表4  初設(shè)階段推薦體型，“校核水位+溫升”壩體上游面第二主應(yīng)力

高程

梁號  

267.7

250

236

225

210

200

188

181.9

-9

0

-8

0

0.12

-7

0

-0.02

-0.44

-6

0

0.00

-0.39

-0.75

-5

0

0.16

-0.16

-0.14

-0.98

-4

0

0.30

0.11

0.15

-0.26

-0.73

-3

0

0.43

0.37

0.21

0.22

0.14

-0.35

-2

0

0.48

0.43

0.23

0.26

0.48

-0.23

-0.63

-1

0

0.54

0.49

0.27

0.27

0.40

-0.31

-0.91

0

0

0.53

0.49

0.27

0.27

0.35

-0.33

-0.96

1

0

0.48

0.42

0.22

0.25

0.40

-0.29

-0.90

2

0

0.32

0.27

0.11

0.22

0.47

-0.18

-0.56

3

0

0.22

0.17

0.07

0.17

0.16

-0.28

4

0

-0.03

-0.13

-0.02

-0.26

-0.68

5

0

-0.24

-0.38

-0.25

-0.92

6

0

-0.44

-0.50

-0.79

7

0

-0.49

-0.56

8

0

-0.38

9

0

   表5   技施階段優(yōu)化體型，“校核水位+溫升”壩體上游面第二主應(yīng)力

高程

梁號           　

267.8

257.2

246.6

236

225.4

214.8

204.2

193.6

183

-9

0

-8

0

0.44

-7

0

0.5

0.2

-6

0

0.42

0.35

-0.44

-5

0

0.41

0.55

0.13

-0.67

-4

0

0.41

0.56

0.52

0.05

-0.72

-3

0

0.39

0.53

0.5

0.51

0.19

-0.63

-2

0

0.37

0.5

0.48

0.48

0.6

0.22

-0.34

-1

0

0.34

0.46

0.44

0.44

0.62

0.88

0.7

0.79

0

0

0.25

0.26

0.13

0.05

0.24

0.61

0.39

0.49

1

0

0.31

0.35

0.26

0.28

0.59

0.76

0.55

0.85

2

0

0.33

0.33

0.2

0.19

0.29

-0.12

-0.28

3

0

0.34

0.33

0.16

0.13

-0.07

-0.59

4

0

0.35

0.31

0.19

-0.06

-0.63

5

0

0.38

0.36

0.31

-0.51

6

0

0.4

0.46

0.02

7

0

0.35

0.35

8

0

0.4

9

0

5  結(jié)論

拱壩是一種應(yīng)力復雜、受地形地質(zhì)條件制約較大的空間殼體結(jié)構(gòu)，對拱壩進行優(yōu)化設(shè)計，是拱壩設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和重要內(nèi)容。本文詳細介紹了峽口水利水電樞紐工程技施設(shè)計階段混凝土拱壩優(yōu)化設(shè)計成果。

（1）對壩基開挖線進行優(yōu)化設(shè)計，確保拱壩坐落于新鮮巖層或微風化巖層上，消除了局部過大的應(yīng)力集中，減少了工程開挖量。

（2）對壩型進行了優(yōu)化設(shè)計，采用拋物線拱圈代替初設(shè)階段推薦的圓形拱圈，使壩型更適應(yīng)壩址地形地質(zhì)條件。

（3）對體型進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的體型應(yīng)力狀態(tài)更趨合理，壩體工程量和壩基開挖量明顯有所減小，施工難度明顯降低，取得了良好的經(jīng)濟效益。

作者簡介：諶偉寧，男，高級工程師。

Optimization Design of Double-curved Arch Dam at Xiakou Hydraulic Enginnering

Chen Weinning¹  He Jinping²

(¹Institute of Exploration and Design of Water Conservancy and Hydropower Hubei Province, Wuhan 430070

²State Key Laboratory of water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072)

Abstract: It’s detailed on Optimization of the base outline of excavation and the shape of the dam.  After Optimization, more reasonable stress distribution, higher stability have achieved, with the quantities of excavation and concrete of dam reduced and convenience to construction. Economic superiority is obvious.

Key word: the base outline of excavation, parabola arch, optimization design