青龙水电站拱坝结构应力研究

杨彬

摘要：拱坝是复杂的空间壳体结构，结构应力非常复杂，深入分析其应力应变性能，对拱坝体形优化设计和安全评价有重要意义。结合湖北省青龙水电站拱坝工程，采用拱梁分载法及有限单元法对该拱坝进行结构应力分析，为进一步的体形优化设计提供参考。

关键词：碾压混凝土拱坝；“U”型窄河谷；拱梁分载法；有限单元法；等效应力

中图分类号：TV642.4+6 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）11-0049-05

不同体型的拱坝所处的地质和地形条件不同，坝址的气象条件和气温水温也不同，造成坝体应力差异。结合湖北省青龙水电站拱坝实际工程，根据已掌握的青龙拱坝的地质地形条件、坝址气温水温资料、特征水位及部分计算参数，采用拱梁分载法和有限元法对青龙拱坝坝体内部结构应力进行分析，寻找典型碾压混凝土U型拱坝上下游面应力及位移分布规律，并采用有限元等效应力法对坝体和坝基（坝肩）接触部位应力进行复核，为大坝安全评价及进一步的体形优化设计提供参考。

1 青龙拱坝基本资料

1.1 工程概况

青龙水电站位于湖北省恩施市青江一级支流马尾沟。工程枢纽由碾压混凝土双曲拱坝、发电引水系统、调压井、岸边地面式厂房等建筑物组成。碾压混凝土双曲拱坝坝顶高程737.7 m，河床坝底高程607.0 m，最大坝高130.7 m；在坝顶设3孔表孔，堰顶溢流泄洪，堰顶高程727.0 m。采用自由跌流、二道坝水垫塘消能方式。二道坝采用混凝土重力坝，位于双曲拱坝下游85 m处，坝顶高程624 m，坝底高程609 m，坝高15 m，坝顶宽3 m，坝底宽15 m。坝址处河谷狭窄，河床宽35 m左右，拱坝735.00 m，高程处谷宽92 m，两侧山体陡峻，呈“U”型。

1.2 计算工况

根据规范要求的计算工况及比较相关工程的实际计算，选取以下2种工况的荷载组合对青龙拱坝进行静力计算。

1） 基本组合：自重+水库正常蓄水位及相应尾水位下的静水压力+设计正常温降的温度荷载+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力，以下简称工况1。

2） 特殊组合：自重+水库校核洪水位及相应尾水位下的静水压力+设计正常温升的温度荷载+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力，以下简称工况2。

1.3 应力控制标准

坝体应力控制指标和等效应力控制指标分别见表1和表2。

2 拱梁分载法计算坝体应力

2.1 拱坝网格划分

本次拱梁分载法拱坝网格划分的高程从堰顶高程开始取，按程序要求及实际情况将拱坝划分成“七拱十三梁”，各拱圈高程分别为727.0 m，708.0 m，692.0 m，674.0 m，658.0 m，640.0 m，624.0 m。

2.2 荷载计算

本次计算考虑到的荷载主要包括坝体自重、水平水压力、垂直水压力。

2.3 应力计算结果

应用拱梁分载法ACM程序得到拱坝在不同高程拱圈的粱向和拱向应力分布规律，如表3—4所示，其中压为+、拉为-。

3 有限单元法计算坝体应力

3.1 计算模型

有限元计算模型的范围为：上游方向取2.0倍左右坝高，左、右岸坝肩各取1.0倍坝高，下游方向取1.5倍左右坝高，坝基底取1.5倍左右坝高。本次采用8节点6面体等参单元对坝体及基础进行有限元离散，将坝体模型共划分为81 082个单元、89 906个结点。

3.2 荷载计算

本次计算考虑到的荷载主要包括坝体自重、静水压力、扬压力、泥沙压力和温度荷载。

3.3 体上下游面应力分析成果

坝体上下游面应力分析结果见表5—6。

4 上下游坝面有限元与拱梁分载法应力比较

2种工况上下游坝面有限元与拱梁分载法应力结果比见表7—8，其中+为压，-为拉。

比较有限元等效应力和拱梁分载法计算的坝体内力，2者相差不超过20%，表明2种方法计算的应力基本准确。

5 青龙水电站拱坝的静力分析

分别以拱梁分载法ACM程序和有限单元软件ANSYS作为计算工具，根据规范和相关文献选取典型荷载组合工况对青龙拱坝进行静力分析及静力有限元等效应力计算，初步得到拱坝坝体在典型荷载组合工况下的应力和位移分布规律。

通过静力分析可初步得知，狭窄“U”型河谷拱坝的应力和变形特点为：在拱坝下游坝面中下部会出现较大范围的拉应力，该区域中心拉应力值最大，对坝体应力不利，这是在一般高陡边坡拱坝应力分布规律中不曾有的，亦是此类拱坝设计需要特别注意的问题。综合分析可以发现，此拉应力主要由横河向应力引起。狭窄河谷制约拱坝中下部拱圈的平面布置，造成中下部拱圈曲率很小，拱的作用被削弱，不能有效将外荷载转化为推力传递到两岸山体，拱圈很平，受力特点更像两端固定的梁，造成下游坝面受拉。在拱坝中下部巨大荷载的作用下，坝体中下部形成往下游的凹陷区，在其中心位移值最大，坝顶中部位移相对较小。结合应力分析可以推测，拱坝下部拱圈作用的削弱，造成这种特殊的坝体变形，从而引起下游坝面中下部范围的拉应力。

6 结论

拱坝是复杂的高次超静定结构，其整体稳定与地形、地质构造等因素有关，且拱坝是一个三维薄壳结构，存在着应力的调整和重分配。因此，对类似于青龙水电站的高拱坝进行坝体稳定分析是一项非常复杂的系统工程，无论物理模型还是数学模型研究都有一定程度的简化。高碾压混凝土拱坝的研究工作需要不断完善和充实。

参考文献

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[2] 杜澤金. 青龙拱坝静动力分析[D].武汉：武汉大学水利水电学院，2009.

[3] 白岩.浅谈有限元法在拱坝应力分析中的应用[J].工程技术（文摘版），2016，13（10）：00102

[4] 娄一青，王林素，江淮川，等.浙江省门溪水库拱坝结构应力分析[J].华北水利水电学院学报，2011（4）：48-51.

Abstract： Arch dam is a kind of complex space shell structure， and the structural stress is so complex that it has important significance for deep analysis on stress –strain performance and optimization design and safety evaluation of arch dam shape. This thesis， which was combined with Qinglong arch dam project in Hubei province， the structural stress of the dam was analyzed using arch-cantilever trial load method and finite element method， providing reference for further shape optimization design.

Key words：RCC arch dam； U-shaped narrow valley； arch-cantilever trial load method； finite element method； equivalent stress