杨房沟拱坝施工图阶段体形优化分析

2017-04-25马腾，杨田

四川水力发电 2017年2期

关键词：体形拱坝拱圈

马腾，杨田

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610021)

杨房沟拱坝施工图阶段体形优化分析

马腾，杨田

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610021)

在招标设计的基础上对杨房沟拱坝的拱冠梁剖面、水平拱圈中心角、坝体厚度等方面进行深化研究，采用拱梁分载法进行坝体应力分析，结果表明在维持拱冠梁剖面和坝体厚度与招标设计基本一致的基础上，适当减小上部高程拱圈中心角、增大中下部高程拱圈中心角，有利于改善坝体应力状态。

材料参数；计算工况；荷载组合；优化分析

0 引言

施工图阶段，为探寻适应杨房沟坝址地形地质条件和水库运行特点的拱坝体形，以充分发挥混凝土优良的抗压性能，减小主要运行工况高拉应力值及高拉应力区范围，使坝体应力分布更合理，并进一步提高两岸坝肩拱座的抗滑稳定性，在充分吸收前期有关专题、可研和招标设计报告研究成果，及历次审查、咨询会议中专家对拱坝设计工作的意见的基础上，借鉴国内其它高拱坝工程的成功设计经验，对杨房沟拱坝体形进行了进一步的设计和深化研究。

杨房沟拱坝体形的深化研究采用了拱梁分载法[1]进行坝体应力分析，计算程序应用浙江大学水工结构研究所编制的“拱坝分析与优化软件系统ADAO”[2]，主要分三步进行：

(1)对拱冠梁剖面进行优选，拟定不同拱冠梁剖面，分析应力变化规律，从中选择较能体现优化目的的拱坝初始体形；

(2)在拱坝初始体形的基础上，针对招标设计阶段两岸坝肩抗滑稳定控制性的可能滑动块体分布高程，进行水平拱圈中心角的优化，适当减小局部高程水平拱圈中心角，使拱坝体形扁平化，以有利于提高坝肩抗滑稳定性，同时研究进一步减小坝体最大拉应力的可行性；

(3)选定拱冠梁剖面及水平拱圈中心角后，研究对坝体中下部厚度进行适当优化调整的可行性[3]。

1 工程概况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，是规划中该河段的第6级水电站，一等大(1)型工程，电站总装机容量为1 500 MW。

枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程2 102 m，最大坝高155 m。招标设计阶段拱冠梁顶厚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。坝顶中心线弧长362.17 m，弧高比2.34，共分为18个坝段。

杨房沟水电站坝址两岸岸坡陡峻，呈“V”型峡谷；坝基岩性为花岗闪长岩，岩质坚硬，岩体较完整，风化卸荷较弱，岩体质量较好；两岸岩体结构面规模均较小，且以中陡倾角为主，坝肩抗滑稳定条件较好，具备修建拱坝较优的地形地质条件。

2 材料参数

2.1 坝体混凝土材料参数

杨房沟拱坝混凝土为大体积混凝土，共分2个区，强度等级分别为A区C18030、B区C18025。结合试验成果和类似工程经验，拱坝混凝土静态变形模量取22 GPa，主要物理力学参数见表1。

表1 坝体混凝土主要物理力学参数

2.2 坝基材料参数

为更加真实地反映拱坝坝基的复杂条件，本文通过有限单元法建立地基模型，在地质建议分类岩体变形参数的基础上，充分考虑岩体风化卸荷分区、主要结构面、坝基开挖及处理等多方面因素，分别计算出各特征高程的水平拱向和垂直梁向的变形，再通过应变能相等原理求出相应的水平拱向和垂直梁向的坝基综合变形模量，最后综合两个方向的综合变形模量得出相应高程的坝基综合变形模量，见表2，坝基主要物理力学参数见表3。

3 计算工况及荷载组合

3.1 计算工况

采用4种工况进行对比计算分析，其荷载组合情况详见表4。

表2 各特征高程坝基综合变形模量

表3 坝基主要物理力学参数

表4 荷载组合表

3.2 计算荷载

3.2.1 水、沙荷载

(1)正常蓄水位2 094 m，相应的下游尾水位1 987.58 m；

(2)设计洪水位2 096.27 m，相应的下游尾水位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 温度荷载

根据坝址区水文气象资料分析，坝面边界气温、水温见表5、6。

通过对坝址气温、水温的分析，结合坝体施工条件，优化得出坝体封拱温度，并按照《混凝土拱坝设计规范》(DL/T5346-2006)推荐公式，得出拱冠梁剖面各个设计高程的温度荷载，见表7。

表5 与空气接触的坝面边界温度 /℃

表6 与水接触的坝面边界温度 /℃

表7 各高程封拱温度及温度荷载表 /℃

注：Tm表示均匀温差，Td表示线性温差

4 优化分析

4.1 拱冠梁剖面优化

为进一步降低大坝上游面拉应力数值及分布范围，考虑适当调整拱坝拱冠梁剖面，使拱坝适当前倾，从而改善坝体应力状态。在招标设计拱坝体形的基础上，拟定了三种拱冠梁剖面方案，见表8和图1(虚线为招标设计体形拱冠梁剖面)，以搜寻拱冠梁剖面对拱坝体形应力的影响。

表8 拱冠梁剖面优化方案

图1 拱冠梁剖面优化方案

通过对3个不同拱冠梁剖面拱坝体形的应力分析表明，随着坝体拱冠梁剖面的前倾，竣工工况

(大坝浇筑并封拱到顶，未蓄水)坝踵处主压应力及坝趾处主拉应力均有明显增大，坝体整体应力水平提高；其它工况下，拱冠梁剖面前倾时，坝体主应力变化较小。因此施工图阶段拱坝坝体拱冠梁剖面基本维持与招标体形保持不变。

4.2 水平拱圈中心角优化

针对招标设计阶段两岸坝肩抗滑稳定控制性的可能滑动块体分布高程，进行水平拱圈中心角的优化，研究适当减小拱坝2 040 m高程以上特别是左岸水平拱圈中心角，使拱端推力向山内偏转、拱坝体形扁平化，以有利于提高坝肩抗滑稳定性，同时对拱坝2 040 m高程以下水平拱圈中心角进行适当调整，进一步减小坝体最大主拉应力数值和分布范围。因此在招标拱圈中心角方案基础上进行适当调整，优化出两个拱圈中心角方案，具体见表11。

表9 不同拱冠梁剖面方案坝体拉应力对比表 /MPa

方案1：上部高程中心角在招标拱圈中心角方案基础上减小约0.4°～0.6°，中下部高程中心角在招标拱圈中心角方案基础上增大约0.3°～0.7°，坝体最大中心角为86.80°，出现在2 020m高程；

表10 不同拱冠梁剖面方案坝体压应力对比表 /MPa

表11 不同拱圈中心角方案对比表 /°

方案2：上部高程中心角在招标拱圈中心角方案基础上减小约0.7°～1.1°，中下部高程中心角在招标拱圈中心角方案基础上增大约0.7°～1.4°，坝体最大中心角为86.73°，出现在2 020 m高程。

通过对2个不同拱圈中心角方案的坝体应力分析表明，随着拱坝上部高程拱圈中心角的减小和中下部高程拱圈中心角的增大，坝体上游面最大主拉应力逐渐减小，高拉应力分布范围比招标拱圈中心角方案有所减小。因此，拟推荐拱圈中心角方案2作为施工图阶段拱坝拱圈中心角。见表12、13

表12 不同拱圈中心角方案坝体拉应力对比表 /MPa

表13 不同拱圈中心角方案坝体压应力对比表 /MPa

4.3 坝体厚度优化

选定拱冠梁剖面及水平拱圈中心角后，研究对坝体中下部厚度进行适当优化调整的可行性，并使坝体最大拉应力不致增大。现拟定两个坝体厚度方案，见图2。

图2 坝体厚度方案拱冠梁剖面

方案1：坝体拱冠梁底厚度保持32 m不变，厚高比仍保持为0.206不变；

方案2：坝体拱冠梁底厚度由32 m减小为30 m，厚高比由0.206减小到0.194，坝体中下部高程拱冠梁及拱端厚度相应减小。

通过对2个不同坝体厚度方案的坝体应力对比分析表明，随着拱坝坝体厚度的减小，坝体上下游面最大主拉应力、最大主压应力数值及范围均有所增大，坝体应力出现了恶化现象。不同坝体厚度方案分析见表14、15、16。

5 结论

通过对杨房沟拱坝进行拱冠梁剖面、水平拱圈中心角、坝体厚度进行调整和计算分析，施工图阶段杨房沟拱坝体形在维持拱冠梁剖面和坝体厚度与招标拱坝体形基本一致的基础上，适当减小上部高程拱圈中心角，增大中下部高程拱圈中心角，有利于改善坝体应力状态。本文所得结论仅适用于杨房沟拱坝，是否具有普遍适用性仍需进一步研究。