馬 騰， 楊 田

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610021)

楊房溝拱壩施工圖階段體形優(yōu)化分析

馬 騰， 楊 田

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610021)

在招標(biāo)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)楊房溝拱壩的拱冠梁剖面、水平拱圈中心角、壩體厚度等方面進(jìn)行深化研究，采用拱梁分載法進(jìn)行壩體應(yīng)力分析，結(jié)果表明在維持拱冠梁剖面和壩體厚度與招標(biāo)設(shè)計(jì)基本一致的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減小上部高程拱圈中心角、增大中下部高程拱圈中心角，有利于改善壩體應(yīng)力狀態(tài)。

材料參數(shù)；計(jì)算工況；荷載組合；優(yōu)化分析

0 引 言

施工圖階段，為探尋適應(yīng)楊房溝壩址地形地質(zhì)條件和水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)的拱壩體形，以充分發(fā)揮混凝土優(yōu)良的抗壓性能，減小主要運(yùn)行工況高拉應(yīng)力值及高拉應(yīng)力區(qū)范圍，使壩體應(yīng)力分布更合理，并進(jìn)一步提高兩岸壩肩拱座的抗滑穩(wěn)定性，在充分吸收前期有關(guān)專題、可研和招標(biāo)設(shè)計(jì)報(bào)告研究成果，及歷次審查、咨詢會(huì)議中專家對(duì)拱壩設(shè)計(jì)工作的意見的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)內(nèi)其它高拱壩工程的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)楊房溝拱壩體形進(jìn)行了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和深化研究。

楊房溝拱壩體形的深化研究采用了拱梁分載法[1]進(jìn)行壩體應(yīng)力分析，計(jì)算程序應(yīng)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”[2]，主要分三步進(jìn)行：

(1)對(duì)拱冠梁剖面進(jìn)行優(yōu)選，擬定不同拱冠梁剖面，分析應(yīng)力變化規(guī)律，從中選擇較能體現(xiàn)優(yōu)化目的的拱壩初始體形；

(2)在拱壩初始體形的基礎(chǔ)上，針對(duì)招標(biāo)設(shè)計(jì)階段兩岸壩肩抗滑穩(wěn)定控制性的可能滑動(dòng)塊體分布高程，進(jìn)行水平拱圈中心角的優(yōu)化，適當(dāng)減小局部高程水平拱圈中心角，使拱壩體形扁平化，以有利于提高壩肩抗滑穩(wěn)定性，同時(shí)研究進(jìn)一步減小壩體最大拉應(yīng)力的可行性；

(3)選定拱冠梁剖面及水平拱圈中心角后，研究對(duì)壩體中下部厚度進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整的可行性[3]。

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，是規(guī)劃中該河段的第6級(jí)水電站，一等大(1)型工程，電站總裝機(jī)容量為1 500 MW。

樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 102 m，最大壩高155 m。招標(biāo)設(shè)計(jì)階段拱冠梁頂厚9 m、底厚32 m，厚高比0.206；最大拱端厚度34.96 m，最大中心角87.01角。壩頂中心線弧長(zhǎng)362.17 m，弧高比2.34，共分為18個(gè)壩段。

楊房溝水電站壩址兩岸岸坡陡峻，呈“V”型峽谷；壩基巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較完整，風(fēng)化卸荷較弱，巖體質(zhì)量較好；兩岸巖體結(jié)構(gòu)面規(guī)模均較小，且以中陡傾角為主，壩肩抗滑穩(wěn)定條件較好，具備修建拱壩較優(yōu)的地形地質(zhì)條件。

2 材料參數(shù)

2.1 壩體混凝土材料參數(shù)

楊房溝拱壩混凝土為大體積混凝土，共分2個(gè)區(qū)，強(qiáng)度等級(jí)分別為A區(qū)C18030、B區(qū)C18025。結(jié)合試驗(yàn)成果和類似工程經(jīng)驗(yàn)，拱壩混凝土靜態(tài)變形模量取22 GPa，主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 壩體混凝土主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2 壩基材料參數(shù)

為更加真實(shí)地反映拱壩壩基的復(fù)雜條件，本文通過(guò)有限單元法建立地基模型，在地質(zhì)建議分類巖體變形參數(shù)的基礎(chǔ)上，充分考慮巖體風(fēng)化卸荷分區(qū)、主要結(jié)構(gòu)面、壩基開挖及處理等多方面因素，分別計(jì)算出各特征高程的水平拱向和垂直梁向的變形，再通過(guò)應(yīng)變能相等原理求出相應(yīng)的水平拱向和垂直梁向的壩基綜合變形模量，最后綜合兩個(gè)方向的綜合變形模量得出相應(yīng)高程的壩基綜合變形模量，見表2，壩基主要物理力學(xué)參數(shù)見表3。

3 計(jì)算工況及荷載組合

3.1 計(jì)算工況

采用4種工況進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，其荷載組合情況詳見表4。

表2 各特征高程壩基綜合變形模量

表3 壩基主要物理力學(xué)參數(shù)

表4 荷載組合表

3.2 計(jì)算荷載

3.2.1 水、沙荷載

(1)正常蓄水位2 094 m，相應(yīng)的下游尾水位1 987.58 m；

(2)設(shè)計(jì)洪水位2 096.27 m，相應(yīng)的下游尾水位1 998.51 m；

(3)上游淤沙高程2 016.36 m，浮容重5 kN/m3，摩擦角0°。

3.2.2 溫度荷載

根據(jù)壩址區(qū)水文氣象資料分析，壩面邊界氣溫、水溫見表5、6。

通過(guò)對(duì)壩址氣溫、水溫的分析，結(jié)合壩體施工條件，優(yōu)化得出壩體封拱溫度，并按照《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5346-2006)推薦公式，得出拱冠梁剖面各個(gè)設(shè)計(jì)高程的溫度荷載，見表7。

表5 與空氣接觸的壩面邊界溫度 /℃

表6 與水接觸的壩面邊界溫度 /℃

表7 各高程封拱溫度及溫度荷載表 /℃

注：Tm表示均勻溫差，Td表示線性溫差

4 優(yōu)化分析

4.1 拱冠梁剖面優(yōu)化

為進(jìn)一步降低大壩上游面拉應(yīng)力數(shù)值及分布范圍，考慮適當(dāng)調(diào)整拱壩拱冠梁剖面，使拱壩適當(dāng)前傾，從而改善壩體應(yīng)力狀態(tài)。在招標(biāo)設(shè)計(jì)拱壩體形的基礎(chǔ)上，擬定了三種拱冠梁剖面方案，見表8和圖1(虛線為招標(biāo)設(shè)計(jì)體形拱冠梁剖面)，以搜尋拱冠梁剖面對(duì)拱壩體形應(yīng)力的影響。

表8 拱冠梁剖面優(yōu)化方案

圖1 拱冠梁剖面優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)3個(gè)不同拱冠梁剖面拱壩體形的應(yīng)力分析表明，隨著壩體拱冠梁剖面的前傾，竣工工況

(大壩澆筑并封拱到頂，未蓄水)壩踵處主壓應(yīng)力及壩趾處主拉應(yīng)力均有明顯增大，壩體整體應(yīng)力水平提高；其它工況下，拱冠梁剖面前傾時(shí)，壩體主應(yīng)力變化較小。因此施工圖階段拱壩壩體拱冠梁剖面基本維持與招標(biāo)體形保持不變。

4.2 水平拱圈中心角優(yōu)化

針對(duì)招標(biāo)設(shè)計(jì)階段兩岸壩肩抗滑穩(wěn)定控制性的可能滑動(dòng)塊體分布高程，進(jìn)行水平拱圈中心角的優(yōu)化，研究適當(dāng)減小拱壩2 040 m高程以上特別是左岸水平拱圈中心角，使拱端推力向山內(nèi)偏轉(zhuǎn)、拱壩體形扁平化，以有利于提高壩肩抗滑穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)拱壩2 040 m高程以下水平拱圈中心角進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)一步減小壩體最大主拉應(yīng)力數(shù)值和分布范圍。因此在招標(biāo)拱圈中心角方案基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，優(yōu)化出兩個(gè)拱圈中心角方案，具體見表11。

表9 不同拱冠梁剖面方案壩體拉應(yīng)力對(duì)比表 /MPa

方案1：上部高程中心角在招標(biāo)拱圈中心角方案基礎(chǔ)上減小約0.4°～0.6°，中下部高程中心角在招標(biāo)拱圈中心角方案基礎(chǔ)上增大約0.3°～0.7°，壩體最大中心角為86.80°，出現(xiàn)在2 020m高程；

表10 不同拱冠梁剖面方案壩體壓應(yīng)力對(duì)比表 /MPa

表11 不同拱圈中心角方案對(duì)比表 /°

方案2：上部高程中心角在招標(biāo)拱圈中心角方案基礎(chǔ)上減小約0.7°～1.1°，中下部高程中心角在招標(biāo)拱圈中心角方案基礎(chǔ)上增大約0.7°～1.4°，壩體最大中心角為86.73°，出現(xiàn)在2 020 m高程。

通過(guò)對(duì)2個(gè)不同拱圈中心角方案的壩體應(yīng)力分析表明，隨著拱壩上部高程拱圈中心角的減小和中下部高程拱圈中心角的增大，壩體上游面最大主拉應(yīng)力逐漸減小，高拉應(yīng)力分布范圍比招標(biāo)拱圈中心角方案有所減小。因此，擬推薦拱圈中心角方案2作為施工圖階段拱壩拱圈中心角。見表12、13

表12 不同拱圈中心角方案壩體拉應(yīng)力對(duì)比表 /MPa

表13 不同拱圈中心角方案壩體壓應(yīng)力對(duì)比表 /MPa

4.3 壩體厚度優(yōu)化

選定拱冠梁剖面及水平拱圈中心角后，研究對(duì)壩體中下部厚度進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整的可行性，并使壩體最大拉應(yīng)力不致增大?，F(xiàn)擬定兩個(gè)壩體厚度方案，見圖2。

圖2 壩體厚度方案拱冠梁剖面

方案1：壩體拱冠梁底厚度保持32 m不變，厚高比仍保持為0.206不變；

方案2：壩體拱冠梁底厚度由32 m減小為30 m，厚高比由0.206減小到0.194，壩體中下部高程拱冠梁及拱端厚度相應(yīng)減小。

通過(guò)對(duì)2個(gè)不同壩體厚度方案的壩體應(yīng)力對(duì)比分析表明，隨著拱壩壩體厚度的減小，壩體上下游面最大主拉應(yīng)力、最大主壓應(yīng)力數(shù)值及范圍均有所增大，壩體應(yīng)力出現(xiàn)了惡化現(xiàn)象。不同壩體厚度方案分析見表14、15、16。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)楊房溝拱壩進(jìn)行拱冠梁剖面、水平拱圈中心角、壩體厚度進(jìn)行調(diào)整和計(jì)算分析，施工圖階段楊房溝拱壩體形在維持拱冠梁剖面和壩體厚度與招標(biāo)拱壩體形基本一致的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減小上部高程拱圈中心角，增大中下部高程拱圈中心角，有利于改善壩體應(yīng)力狀態(tài)。本文所得結(jié)論僅適用于楊房溝拱壩，是否具有普遍適用性仍需進(jìn)一步研究。

表14 不同壩體厚度方案對(duì)比表 /m

表15 不同壩體厚度方案壩體拉應(yīng)力對(duì)比表 /MPa

表16 不同壩體厚度方案壩體壓應(yīng)力對(duì)比表 /MPa

[1] 水規(guī)總院. 混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范DL/T5346-2006[S]. 中國(guó)電力出版社.

[2] 黃熠輝,張偉狄,于青,等. 楊房溝水電站混凝土高拱壩體形設(shè)計(jì)[J]. 浙江水利科技,2016,(01):69-71.

[3] 徐建軍,徐建榮,何明杰. 周公宅水庫(kù)混凝土雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 水力發(fā)電,2010,(08):31-34.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

2017-03-16

[TM622]；TV642.4；N945.15

B

1001-2184(2017)02-0154-06

馬 騰(1990-)，男，河南夏邑人，武漢大學(xué)水工結(jié)構(gòu)碩士，工程師，主要從事水電工程項(xiàng)目管理工作；

楊 田(1988-)，男，四川達(dá)州人，四川大學(xué)水工結(jié)構(gòu)碩士，工程師，主要從事水電工程項(xiàng)目管理工作.