溪洛渡拱坝优化设计简介

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1、目录1. 可行性研究拱坝建基面12. 优化设计拱坝建基面12.1拱坝建基面水平嵌深确定12.2坝基综合变形模量33. 规范方法应力、稳定分析34. 拱坝整体稳定分析44.1数值仿真分析44.2地质力学模型试验55. 拱坝抗震分析65.1数值计算65.2动力模型试验86. 拱坝基础处理96.1基础处理设计原则96.2基础处理的主要对象96.3坝基加固处理设计10溪洛渡拱坝优化设计简介1. 可行性研究拱坝建基面溪洛渡可行性研究拱坝设计立足于落实方案、安全稳妥、适当留有余地的原则。拱坝建基面确定原则为：拱坝建基面以微风化新鲜II类岩体为主，560m高程以 上部份利用弱风化下段III1类岩体，以利于建

2、基面的平顺变化，河床坝基置于332m高程。 左、右岸拱坝建基面平均嵌深分别为43.6m和49.7m。河床370m高程拱坝建基面拱端 水平嵌深最深，分别达到83.25m和98.29。可研阶段拱坝设计成果表明：坝体应力在各种工况下均满足控制标准；坝肩稳定安 全系数均大于控制标准值，帷幕、排水部分失效时最小纯摩安全系数左、右岸分别为1.47 和1.65，最小剪摩安全系数左、右岸分别为4.07和3.66，拱坝整体安全度达8P0 （超载 法）、6.3P0 （综合法），类比国内外拱坝工程有一定的安全富裕，2. 优化设计拱坝建基面2.1拱坝建基面水平嵌深确定在拱坝建基面优化设计过程中，对建基条件进一步开展了

3、地勘试验论证工作。分析 认为：弱风化下段无卸荷岩体，次块状结构为主，与微新岩体呈渐变过渡关系，结合较 紧密，岩体渐趋均一，岩体质量渐趋稳定，总体较完整，声波速度一般4000m/s5200m/s， 为HL级岩体。变形模量可达10GPa12GPa，天然状态下基本上能满足拱坝的建基要求， 属可利用岩体。通过对岩体内相对薄弱的错动带采取置换和灌浆处理，可一定程度上改 善岩体的均一性和抗变形能力。弱风化、弱卸荷的1112级岩体为镶嵌结构，岩体较坚硬、完整性差，中等透水为主， 声波速度一般3500m/s4500m/s，在天然状态下不能直接作高坝坝基，经有效加固处理 后可以局部利用。除河床中心部位801林占

4、孔揭示325m高程以上的岩体必须挖除外，其余钻孔均表明 340m高程左右的岩体较完整，微风化岩体顶板高程普遍较高，建基岩体条件变好，通 过改变建基面形态，可以适当提高建基面。通过对溪洛渡坝址的地形地质特点的进一步分析，认为拱坝建基面的外移是有必要 的，优化设计拱坝建基面确定的原则为： 河床中心底部高程仍维持332.0m，近两岸部位可适当抬高至340.0m高程左右； 430m高程以下至河床的拱座可利用弱风化下段III1级偏里的岩体； 430m560m高程陡壁区的拱段建基面主要置于III1级岩体； 560m高程以上可局部利用1112级岩体。优化设计拱坝建基面在天然岩体基本上能满足大坝的建基要求，适

5、当考虑灌浆、置 换等措施提高坝基均一性、整体性及抗变形能力的作用。同时坝基岩体必须满足坝体应 力、应变及坝肩稳定要求。可研方案、优化方案、招标方案拱坝建基面水平嵌深见表1 表3。左岸拱座下游拱端水平嵌深表1单位：m高程(m)610590560520480440400平均可研方案22.239.654.147.241.430.470.143.6优化方案0420.434.440.830.121.416.451.330.7招标方案20.4434.3840.8430.1421.5516.3451.4130.73右岸拱座下游拱端水平嵌深表2单位：m高程(m)610590560520480440400平均可

6、研方案31.445.249.156.857.245.263.249.7优化方案0429.336.038.443.037.524.645.736.4招标方案29.3435.9938.452.5641.0424.5845.6738.23河床建基面拱座下游拱端水平嵌深表3单位：m高程可研方案优化方案04优化方案04左岸右岸左岸右岸左岸右岸37083.398.364.455.664.4255.6435062.777.144.236.544.1936.65平均73.087.754.346.1与可研方案相比，优化方案及招标方案拱坝上部560m610m高程范围内，范围内 的拱坝坝肩推力相对较小。因此，在该高

7、程范围内的拱座局部利用弱风化上段III2级岩 体进行布置，可以更好地利用坝基岩体。拱坝560m高程以下，为坝基的主要承载区域，拱端推力逐渐增大，左岸拱座主要 利用弱风化下段III级岩体布置，可以保证坝基变形及承载能力的要求，同时使建基面 较为平顺，并改善拱坝受力条件。优化方案04及招标方案拱坝坝体混凝土方量为560万方左右，比可研方案减少113 万方。基础开挖方量为440万方左右，比可研方案方案减少87万方。2.2坝基综合变形模量坝基综合变形模量是拱坝设计的主要参数。按应变能相等原理，分别计算拱向及梁 向的坝基综合变形模量，再进行拱向、梁向变模综合，得出反映实际地形地质条件的坝 基各个设计高程

8、的综合变形模量。拱坝建基面外移后，由于利用了1耳级岩体及1112级岩 体，引起坝基综合变形模量的变化。可研方案优化方案招标方案拱坝坝基综合变形模量设计值见表4。坝基综合变形模量设计值表表4单位：GPa方案高程(m)610590560520480440400370360350332332可研方案左岸15.816.617.416.515.515.114.7/14.2/13.613.6右岸15.215.916.616.215.815.114.4/14.0/13.6优化方案04左岸11.713.217.515.114.513.712.612.9/12.712.712.7右岸12.414.216.616

9、.115.714.213.913.5/13.012.7招标方案左岸13.1714.4417.5815.5614.9612.9812.2112.4312.2313.3913.36右岸12.2614.0116.7116.8316.1014.7413.4113.3212.2913.03与可研方案相比，优化方案及招标方案上部高程拱坝坝基综合变形模量设计值略有 降低。3. 规范方法应力、稳定分析优化方案04采用规范规定的静动拱梁分载法及三维刚体极限平衡法进行拱坝应力、 稳定分析，计算结果表明：(1)拱梁分载法应力成果表明，优化方案04拱坝在各种单项荷载及荷载组合作用 下，坝体位移、应力分布符合一般规律，

10、最大主应力值满足应力控制标准。各施工阶段 的坝体位移、应力值均能满足施工期控制要求，并对基础具有一定的适应性，优化方案 04拱坝能满足设计要求，是合理可行的。(4)拱坝坝肩稳定分析成果表明，无论是排水帷幕正常工作，还是排水帷幕部分 失效，优化方案04左、右岸各大块体、阶梯状滑块的纯摩安全系数在1.42.06之间， 均大于1.3,剪摩安全系数在3.54.09之间，均大于3.5，满足规范要求。(5)拱梁分载法动应力分析成果表明，无论是正常蓄水位还是运行低水位，优化 方案04拱坝静动叠加的最大主压应力具有较大安全裕度，拱坝动力反应值比可研方案 拱坝略有增加，高拉应力区面积也略有增加。4. 拱坝整体稳

11、定分析4.1数值仿真分析计算采用的数值仿真分析方法，包括非线性有限元法、刚体弹簧元法、有限单元差 分法等。优化方案04数值仿真成果表明： 拱坝坝体位移分布均匀对称，坝体基本处于均匀受压状态，坝体中部大范围内的 应力值为-2.00MPa-5.00MPa，最大值为-5.70MPa-7.41MPa。下游坝面高应力区位于 中低高程拱端附近，最大主压应力基本在-15.0MPa左右。主拉应力分布范围较小，只在 拱端附近局部出现，最大值0.99MPa1.08 MPa之间。拱坝处于弹性工作状态。 拱坝的坝基位移最大值为3.26cm，沿建基面的位移差值为2.09 cm，略大于二滩， 但小于小湾和锦屏一级拱坝工程

12、。 坝基岩体点安全系数岸边大于1.2,深部在1.5以上；岩体处于弹性工作状态，没 有屈服区分布。层间层内错动带和P2夹层点安全系数岸边大于1.2，深部515；各 错动带基本均处于弹性工作状态，没有屈服区分布。 通过工程类比法对坝踵开裂稳定性分析表明，在保证混凝土施工质量的前提下， 运行后坝踵不致于发生开裂，拱坝具有较强的抗超载开裂能力。 基于有限元法的稳定分析表明，优化方案04拱端水平推力角大于可研方案，坝 肩不平衡力来小于可研方案，均说明优化方案04的坝肩稳定性优于可研方案；正常工 况下，C3大块体最低稳定安全度为5.108，C3C4小块体最低稳定安全度为3.392。在 5倍水载及50%降强

13、时，三种体型大、小块体安全度均大于1.0，故溪洛渡拱坝控制性 稳定模式为变形稳定，而非抗滑稳定。 刚体弹簧元法计算表明：拱坝中下部高程为坝肩抗滑稳定的控制高程；基本组合 I工况下，左岸最小剪摩和纯摩安全系数分别为3.61和1.97,右岸最小剪摩和纯摩安全 系数分别为3.60和1.87。特殊组合I工况下，左岸最小剪摩安全系数为3.62，右岸最小 剪摩安全系数为3.67。参照拱坝规范相应的控制标准，各控制块体均具有较大的安全系 数。 基于有限元法的稳定分析表明，在正常工况以至整个超载或降强过程过程中，坝 肩稳定的刚体极限平衡法的基本假定，包括拉裂面不能承受荷载，侧滑面、底滑面剪力 平行交线，侧滑面

14、、底滑面同时屈服，都不成立。C3大块体真实受力状态和刚体极限平 衡法假定偏离最大，主要原因是天然地应力在拉裂面、侧滑面上有很大的预压应力，而 c3c4小块体和这些假定偏离较小。滑面作用力的有限元法和刚体极限平衡法的比较充 分说明了这一点。 干扰能量法计算成果表明，拱坝坝肩附近岩体稳定安全系数均大于1.0、干扰能 量值也均大于零，说明坝肩处于稳定状态；坝肩附近岩体干扰能量值和稳定安全系数值 表现为右岸岩体大于左岸岩体、两岸岩体表面低于岩体内部的特征。与其它工程类比分 析表明，溪洛渡拱坝的干扰能量法安全系数高于二滩、小湾等拱坝。 非线性有限元法和有限单元差分法，通过超水容重的方式，得到的超载安全度基 本一致；起裂超载系数K1 = 2P0；非线性变形超载系数 = 3七4P0；极限超载系数 = 8.5P0。综合超载降强法得到溪洛渡超载系数为4.8。工程类比表明：拱坝超载安全度较 高，坝肩承受超载的能力较强。4.2地质力学模型试验优化方案04地质力学模型试验研究表明： 上游坝踵拉裂荷载约为吗=2.0，下游在2 P03P0时压裂，出现屈服区，当荷载 加大，出现大变形，K2=4.5P0，此时地基刚度有所折减，变形加大，到最终荷载