峡口拱坝体型优化设计 - 工程设计

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1、峡口拱坝体型优化设计 - 工程设计 简介： 峡口水利站拱坝在技施设计阶段，通过对坝址地形，地质条 件深入细致的研究，从拱坝坝基开挖线优化着手，将初设阶段的等 厚水平圆拱圈优化为变厚的抛物线型拱圈的双曲拱坝，在使坝体应 力水平满足要求的前提下，节省了坝基开挖及坝体混凝土工程量。 关键词：坝基开挖线优化 等厚水平圆拱圈 变厚的抛物线型拱圈 关 键字：坝基开挖线抛物线型拱圈优化设计 1 工程概况峡口水利水电 枢纽工程位于湖北省南漳县沮河上游峡口镇西 1km，距下游远安县 城 50km 。工程以防洪为主，兼有发电、灌溉等综合效益。水库总库 容 1.36 亿 m3 ，电站总装机 3 万 kw ，工程等级

2、为等，工程规模为 大（2）型。水库设计洪水标准为 100 年一遇，校核洪水标准为 1000 年一遇。工程于 2002 年动工，目前正在施工中。工程主要由 混凝土双曲拱坝、右岸引水式电站组成，采用坝身两个中孔及三个 表孔联合泄洪。中孔每孔宽 6.5m，高 7.5m，表空每孔净宽 13m 。初 设阶段推荐坝型为水平圆形拱圈的双曲拱坝，最大坝高 85.8m，坝 顶高程 267.70m，坝底高程 181.90m，坝顶厚 7m ，底厚 18m，坝顶 弧长 191.8m，中心角 96.825。坝体混凝土方量 13.1 万 m3 。工程位 于扬子准台地中部，区域稳定性好，地震基本烈度 6 度。2 坝基开 挖

3、线优化设计在进行拱坝体形优化前，应先对坝基开挖线进行优化。 坝基开挖线优化牵涉面广，对后续工作影响大，而目前国内外还没 有公认合理、简单可行的优化程序，因此主要通过对坝址地形及工 程地质条件，根据一些基本原则和工程经验，由水工专业人员和地质专业人员进行深入研究、反复斟酌、多次比选和修改来完成。峡 口水利水电枢纽工程坝区构造简单，为单斜岩层，走向 330355， 倾向 240265，倾角 815；坝区断裂较发育，多数为张性正断 层，走向 NE1050之间，横切或斜切河谷，断层错距小，破碎带 也很小，倾角一般 6080；右坝肩有 F11、F12 两断层，均为高倾 角正断层，断层错距小，破碎带 02

4、0cm ，均与岸坡大角度斜交， 只要对拱坝轴线及中心线进行微调，即可做到使拱推力方向与主要 的断层面基本正交。分析表明，初设阶段推荐的坝轴线是合理的。 坝址区岩层为白垩系红花套组和罗镜滩组。红花套组分布于峡谷出 口两侧，岩性为紫红色砂岩，粉沙岩；罗镜滩组广泛分布于坝址区， 上段为红色厚层砾岩夹紫红色中厚层砂岩，中段和下段为紫红色巨 厚层砾岩。右岸 236m 以下，左岸 228m 以下均为罗镜组第一段巨厚 层砾岩；左岸 236m 261m,右岸 236m 247m 为罗镜组第二段紫红 色中厚层状砂岩。砾岩具有强度高、变形低的特点，其抗风化能力 强，微风化下限 03m。砂岩抗风化能力次之，局部有弱

5、风化，具 有中等强度及变形。坝区岩溶不发育，仅局部具有溶蚀裂隙。河床 覆盖层厚度约 8m 。根据上述坝址地质条件，在进行坝基开挖线的优 化时，制定了两条基本原则：一方面，使高强度和小变形的砾岩区 的开挖深度较小，而中等强度和变形的砂岩区的开挖深度则相对较 大，从而保证坝基坐落于新鲜岩层或微风化岩层上；另一方面尽量 使开挖线轮廓基本对称，消除局部过大的凸凹，保证了坝体不致出 现过大的局部应力集中，并减少开挖量。图 1 为优化后的坝基开挖线。从图中可以看出，最后确定的开挖线很好的满足了以上条件。 图 1 坝基开挖线优化结果图 3 拱坝坝型优化设计峡口水利水电枢纽 工程初设阶段推荐的坝型为水平圆形拱

6、圈的双曲拱坝，在技施设计 阶段，对坝型进行了优化。考虑到以下两方面的因素，在技施设计 阶段，决定采用抛物线拱圈代替初设阶段推荐的圆形拱圈。峡口坝 址位于峡谷出口上游 200m 处，270.0m 高程河谷宽 142.5m ，常水位 河面宽 50m ，河谷宽高比 1:1.6，河道两岸顺直，左右山体雄厚，岸 坡平直。左岸 250m 以下，基岩裸露；右岸 255m 高程以下基岩裸露， 255m 以上有植被覆盖。两岸 295m 高程以下边坡陡峭，坡度 7080 ，呈左右基本对称的典型“V”河谷。这种地形条件是技施设 计阶段决定采用抛物线拱圈的主要原因。同时，抛物线型变厚拱圈 拱冠部分曲率大，拱端趋平缓，

7、厚度从拱冠到拱端逐渐增厚，可以 更好地降低坝体整体应力水平，节省混凝土工程量，也更有利于坝 肩稳定。这是在技施设计阶段决定采用抛物线拱圈的重要原因。4 拱坝体形优化设计 41 体形优化程序为确保优化结果合理，并进 行互相比较，本次采用了中国水利水电科学研究院材料所编制的 “ADASO”拱坝体型优化程序和浙江大学水工结构研究所编制的 “ADAO”拱坝体形优化程序进行优化计算。 “ADASO”程序在我院先前 设计的湖北宜都市境内渔洋河中游的熊渡水电站拱坝和湖北宣恩县 城附近龙洞河上的龙洞水电站拱坝设计中均使用过，与观测成果符 合较好；“ADAO”程序界面友好、功能较全面。两程序均为 9 拱 19

8、梁布置，采用相同的设计参数。42 设计参数（1）体型参数拱冠梁中心线曲线、拱冠梁厚度、拱端厚度以及拱冠梁中轴线的曲率半 径等均用三次多项式方程拟合。抛物线形拱圈任一点 i 处的拱圈厚 度用下列公式表达：式中，Ti 为任一点 i 处的拱厚，Ta 为拱端处拱 厚，Tc 为拱冠梁处拱厚，Si 为水平拱圈中心线上 i 点处沿中心线至 拱冠梁的弧长，Sa 为水平拱圈中心线上拱端沿中心线至拱冠梁的弧 长，n 为指数，在拱圈参数描述行中提供。 （2）计算工况采用了 4 种工况进行计算，分别为：正常蓄水位+ 泥沙压力+自重+设计正常 温降，正常蓄水位+ 泥沙压力+ 自重+ 设计正常温升，效核洪水位+ 泥 沙压

9、力+自重+ 设计正常温升，死水位+ 泥沙压力+ 自重+设计正常温 降升。 （3）水库特征水位及淤砂参数坝顶高程 267.8m，坝底高程 183.0m；校核洪水位 266.17m，相应下游水位 203.05m ；正常蓄水位 264.13m，相应下游水位 201.05m；死水位 248.13m ，相应下游水位 193.4m。淤砂高程 210.0m，淤砂浮容重 0.9 t/m3，淤砂内摩擦角 14。 （4）坝体及基岩物理力学参数坝体混凝土容重 24kN/m3，弹性 模量 18000MPa，泊松比 0.167，温度线涨系数 0.000008，基岩变形 模量 15000 MPa ，泊松比 0.15。 （

10、5）温度参数温度参数见表 1。表 1 温度参数代码参数数值代码参数数值 Ta 多年平均气温 15.37DTa 日照对水位以上坝面多年平均温度的影响 2AaD 气温年变幅（温 降）12.55DAa 日照对水位以上坝面温度年变幅的影响 2AaI 气 温年变幅（温升）12.55Tor0 初相位（气温最高的月份，常取 6.5，即 7 月中旬）6.5 月 Tasho 上游面多年平均表面水温 16.8 dTasho 日照对上游面多年平均表面水温的影响 2Tkd 库底或上游恒温层的温度 10.5AshDo 上游面表面水温年变幅（温降）11.75 HTkd 上游恒温层的高程 183.0mAshIo 上游面表面

11、水温年变幅（温升） ，11.75Taxio 下游面多年平均表面水温 16.38dAsho 日照对上游 表面水温年变幅的影响 2Txid 下游恒温层的温度 16.8dTaxio 日 照对下游面多年平均表面水温的影响 2HTxid 下游恒温层的高程 183.0mdAxio 日照对下游表面水温年变幅的影响 2AxiDo 下游面表 面水温年变幅（温降）11.75AxiIo 下游面表面水温年变幅（温升） 11.75（6）约束条件基本组合时，允许最大主压应力 5.25MPa, 允 许最大主拉应力 1.18 MPa。特殊组合，允许最大主压应力 6.25 MPa, 允许最大主拉应力 1.47 MPa。上下游坝

12、面最大允许倒悬度 0.25。坝 顶最小厚度 5m 。 （7）计算结果分析对比两种优化计算程序的计算结 果，两者相差不大。本文主要给出“ADAO”程序计算结果。根据 “ADAO”程序优化计算结果绘制的拱冠梁剖面及坝体俯视图见图 2 和图 3。与初设体型参数对比见表 2。图 2 拱冠梁剖面图 3 拱拱坝 俯视图 表 2 技施与初设体型参数对照表部位高程(m)拱冠处厚度(m) 拱冠处曲率半径(m) 左中心角( 度)右中心角( 度)外弧长(m)初设体型坝 顶 267.77113.549.785847.0389191.8 技施体型 267.8581.844.62 45.03185.3 初设体型坝底 18

13、1.91861.2727.95127.59159.78 技施体 型 1831643.732.3533.0858.8 从表 2 可以看出，技施与初设体型相 比，坝顶、坝底厚度均有较明显的减小，坝底高程抬高了 1.1m，坝 顶和坝底的外弧长均有明显减少。最大坝高由 85.8m 减小为 84.8m，坝体混凝土工程量由 131845m3 减小为 119152m3 ，节约了12693m3。坝基石方开挖减少约 1.1 万 m3。而且，坝体最大倒悬度 由 0.3 减为 0.25（在上游面坝脚处） ，方便了施工。表 3 为“ADAO” 程序计算的坝体应力统计表。从表 3 可以看出，各工况上下游最大 的拉或压应

14、力数值均在约束范围以内，且与允许的最大拉压应力小 较多。初设、技施阶段坝体应力控制工况均为“工况 1” 即“校核水位+ 温升”上游面第二主应力。表 4、表 5 分别为初设、技施阶段坝体上 游面第二主应力（表中负号表示拉应力，单位 MPa, 高程单位 m ， 其余工况应力结果此处从略） 。对比两表可以看出，技施阶段受拉区 范围、拉应力数值比初设阶段均有较大幅度的减小。表 3 坝体应力 统计表计算工况上游坝面主应力最大值下游坝面主应力最大值拉位 置 压位置 拉位置 压位置 封拱时 0.31MPa4R,0C 3.17MPa9R,1C 0.28MPa9R,1C1.90MPa6R,0C工况 10.72M

15、Pa6R,-4C3.28MPa1R,-9C0.18MPa2R,-7C 3.71MPa5R,-5C 工况 20.38MPa7R,3C3.04MPa1R,-9C 0.65MPa4R,6C2.59MPa 7R,0C 工况 30.65MPa6R,-4C 3.27MPa1R,-9C 0.21MPa 2R,-7C3.45MPa6R,-4C工况 40.65MPa5R,5C2.60MPa8R,2C 0.62MPa 8R,1C 3.53MPa5R,5C 注：表中6R,-4C表示，第 6 拱圈，从拱冠向左 岸数（无“-” 号则为右数）第 4 根梁的交点处，其他类推。表 4 初设 阶段推荐体型， “校核水位+温升”

16、坝体上游面第二主应力高程梁号 267.7250236225210200188181.9-90 -800.12 -70-0.02 -0.44 -600.00 -0.39 -0.75 -500.16 -0.16 -0.14 -0.98 -400.30 0.11 0.15 -0.26 -0.73 -300.43 0.37 0.21 0.22 0.14 -0.35 -200.48 0.43 0.23 0.26 0.48 -0.23 -0.63 -100.54 0.49 0.27 0.27 0.40 -0.31 -0.91 000.53 0.49 0.27 0.27 0.35 -0.33 -0.96 100.48 0.42 0.22 0.25 0.40 -0.29 -0.90 200.32 0.27 0.11 0.22 0.47 -0.1