杨房沟水电站混凝土高拱坝体形设计

黄熠辉，张伟狄，于 青，殷 亮

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)



杨房沟水电站混凝土高拱坝体形设计

黄熠辉，张伟狄，于 青，殷 亮

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

介绍了杨房沟高拱坝的建基面设计，利用浙江大学ADAO程序进行了拱坝体形优化以及拱梁分载法应力变形分析，并采用三维线弹性有限元法进行了坝体应力变形复核。最后对坝基综合变形模量及封拱温度进行敏感性分析，研究坝基模量及封拱温度变化对大坝应力的影响,论证了杨房沟拱坝的设计体形对坝址及封拱温度具有较强的适应性。

拱坝；拱梁分载法；有限元法；应力变形分析；优化

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，电站控制流域面积8.088万km2，多年平均流量896 m3/s。工程的开发任务为发电，电站正常蓄水位2 094.00 m，相应库容为4.558亿m3，总装机容量1 500 MW。本工程为一等工程，工程规模为大(1)型。枢纽主要建筑物由挡水建筑物、坝身泄洪孔口及坝下水垫塘消能建筑物及左岸引水发电系统等组成。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最大坝高155.00 m，为1级建筑物，按500 a 一遇洪水设计，5 000 a一遇洪水校核，坝址地震基本烈度为Ⅶ度，设计烈度为Ⅷ度，大坝抗震设计标准取基准期100 a超越概率为2%，相应基岩水平地震动峰值加速度为302.4 gal。

2 拱坝建基面设计

坝址处两岸为陡坡地形，左岸坡度约45°～60°，右岸坡度约50°～70°，山体雄厚完整，河谷深切，呈基本对称的“V”形，河谷宽高比约2.05。枢纽区主要出露地层主要为燕山期花岗闪长岩，属于坚硬岩，Ⅲ1类岩体饱和抗压强度为60～80 MPa，变形模量为8～12 GPa。岩体风化卸荷较浅，多为弱风化岩体出露。左岸基岩面以下Ⅲ1类岩体顶面平均埋深为14.20 m，基岩面以下Ⅱ类岩体顶面平均埋深为42.00 m；河床基岩面以下Ⅲ1类岩体顶面平均埋深为21.80 m，基岩面以下Ⅱ类岩体顶面平均埋深为24.40 m；右岸基岩面以下Ⅲ1类岩体顶面平均埋深为12.50 m，基岩面以下Ⅱ类岩体顶面平均埋深为38.80 m。

两岸边坡弱风化上段下限埋深均较浅，考虑到混凝土拱坝坝肩嵌深的要求，同时弱风化上段岩体属Ⅲ2类～Ⅳ类岩体，岩体性状相对较差，不宜直接作为坝基。根据拱坝受力条件，坝基可利用岩体也应有所区别，确定以下建基标准：坝体下部建基在微风化、弱风化下段、无卸荷的Ⅱ类、Ⅲ1类岩体的基岩上；坝体中部可建基在弱风化下段、无卸荷的Ⅲ1类岩体的基岩上；坝体上部可建在弱风化下段、无卸荷的Ⅲ1类、局部Ⅲ2类岩体的基岩上。

根据以上原则，结合河床钻孔资料，确定拱坝河床部位建基面高程为1 947.00 m，两岸下游拱端点水平嵌深约10.00～36.00 m，左岸坝基平均嵌深28.60 m，右岸平均嵌深21.60 m。整个拱坝建基面岩体质量较好，左岸坝基Ⅱ类岩体约占60.2%，Ⅲ1类岩体约占37.5%，Ⅲ2类岩体约占2.3%，右岸坝基Ⅱ类岩体约占64.3%，Ⅲ1类岩体约占35.7%。采用平面线弹性有限元法对特征高程坝基的风化卸荷岩体分区及主要结构面进行模拟，计算出各特征高程坝基的综合变形模量。拱坝下游拱端点水平嵌深及坝基综合变形模量计算成果见表1。

表1 拱坝各特征高程下游拱端水平嵌深及坝基综合变形模量成果表

高程/m210220802060204020202000198019601947左岸嵌深/m9.5027.1033.4036.1031.4035.8031.3023.80变模/GPa10.411.211.712.512.513.614.715.016.0右岸嵌深/m11.0012.2021.5026.0030.7025.0026.0020.20变模/GPa10.711.412.112.412.613.313.613.916.0

3 体形设计

水库正常蓄水位为2 094.00 m，设计洪水位为2 096.27 m，校核洪水位为2 099.91 m，死水位为2 088.00 m，坝顶高程为2 102.00 m。坝址多年平均气温为16.5 ℃，温降年变幅为8.6 ℃，温升年变幅为5.4 ℃。封拱温度自上而下采用15，14，13，12 ℃四级。

采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”进行拱坝体形优化和应力变形计算分析。对近年来应用较多的抛物线、椭圆、对数螺旋线3种线型进行杨房沟拱坝体形设计比选。主要结论如下：

(1)在同样的几何约束条件和应力约束条件下，进行拱坝体形等应力优化(基本荷载组合下最大主拉应力控制相等)，3种线型拱坝体形参数相差不大，体形非常接近。从坝体混凝土方量上来看，抛物线拱坝基本体形方量最少，比椭圆拱坝和对数螺旋拱坝节省约1.5万m3的混凝土，占坝体总方量的2%。

(2)在等体积约束条件下，抛物线拱坝的径向位移最小，对数螺旋拱坝其次，椭圆拱坝最大；应力相差较小，抛物线拱坝应力略小于其它2种线型；抛物线拱坝高应力节点数也小于椭圆拱坝和对数螺旋拱坝；从拱坝对坝基的适应性角度来看，抛物线拱坝稍好于椭圆拱坝和对数螺旋拱坝。

抛物线是拱坝应用较多的线型，我国近年来一些混凝土高拱坝，如周公宅、牛头山、东风、二滩、小湾、溪洛渡、锦屏一级等高拱坝均选用了该种线型，工程经验较多，其具有对河谷地形地质条件适应性较强、抗震安全性较高、便于设计调整等特点。因此杨房沟拱坝水平拱圈采用抛物线线型进行设计。

经拱梁分载法和三维线弹性有限元法进一步优化，确定杨房沟拱坝体形参数见表2，拱圈平面和梁剖面见图1。

表2 拱坝主要特征参数表

续表2

图1 拱坝基本体形图

4 拱梁分载法应力及变形分析

根据现行拱坝设计规范，采用拱梁分载法进行坝体位移应力分析，计算程序采用浙江大学ADAO。坝体混凝土主要采用C18030 和C18025两种分区，各种荷载组合下拱坝应力变形成果见表3。从计算成果可知，在各种工况下坝体上下游面的最大主应力值均小于应力控制标准，坝体应力分布均匀，满足规范要求。

表3 拱坝应力变形计算成果表

根据基岩分区及其变形模量的取值范围经计算得出的综合变形模量与实际情况可能存在一定的差异，因此分析坝基变形模量浮动对坝体应力的影响是十分必要的，它可以检验拱坝对坝基变模变化的适应能力，考虑到杨房沟拱坝坝址工程区岩性单一，坝基范围内没有发现明显的岩体质量缺陷，因此只进行坝基变模整体浮动分析，分别按下浮20%、下浮10%、上浮10%、上浮20%考虑。随着坝基变模的下浮，坝体上游面主压应力和下游面主拉应力略有增大，但坝体最大主拉应力(上游面)、最大主压应力(下游面)均减小；随着坝基变模的上浮，坝体最大主拉、主压应力相应增大，上游面主拉应力相对增加明显，下游面主压应力则相对变化较小。坝基变模整体上浮20%时，基本组合工况下，坝体上游面最大主拉应力均小于1.20 MPa，下游面最大主压应力均小于6.82 MPa；偶然组合工况下，坝体上游面最大主拉应力小于1.50 MPa，下游面最大主压应力小于8.02 MPa，满足设计要求。因此，拱坝设计体形具有较强的适应坝基变模浮动变化的能力。

考虑实际施工情况，坝体实际封拱温度与设计值可能有一定的变化，因此分析了坝体应力对封拱温度的敏感性。拱坝上游面主拉应力对封拱温度比较敏感，随封拱温度降低而减小，而下游面主压应力则不敏感。坝体封拱温度上浮1 ℃、下浮1 ℃时，坝体最大主拉主压应力均满足设计要求，因此，杨房沟拱坝体形能够适应一定范围的封拱温度变化。

5 线弹性有限元法应力变形分析

采用大型通用有限元程序ANSYS对杨房沟高拱坝进行了三维线弹性有限元分析，坝体及基岩绝大部分区域采用8节点6面体单元划分，局部采用6节点5面体单元过渡。坝体网格沿坝厚均分为5层，模型共31 045个单元、38 106个节点。

经计算，坝体顺河向位移为4.5～5.3 cm，均发生在拱冠梁上部高程，与拱梁分载法计算成果基本吻合。由于有限元应力集中影响，拱坝上游面最大主拉应力约2.70～3.10 MPa，发生在坝踵附近；下游面最大主压应力约7.30～8.00 MPa，发生在1 990.00～2 010.00 m高程右拱端。各工况下坝体应力与变形符合拱坝一般规律，除坝基面附近外，上游面绝大部分范围第一主应力均为压应力，即这些区域均处于三向受压的状态；上游面的拉应力分布范围极小，仅出现在坝踵附近约1/20倍坝高范围以内；下游面建基面1/20坝高以上范围，主压应力小于6.00 MPa。

由于线弹性有限元计算的成果在角缘附近存在应力集中现象，局部应力一般较大，根据DL/T 5346—2006《混凝土拱坝设计规范》[1]的规定，并参考朱伯芳等著的《拱坝设计与研究》[2]，将应力计算成果进行等效处理：

① 基本组合下坝体最大主拉应力略小于1.50 MPa，偶然组合下坝体最大主拉应力约1.80 MPa，均小于应力控制值，发生在底拱上游面右拱端处；

②基本组合下坝体最大主压应力约6.40 MPa，偶然组合下坝体最大主压应力约6.50 MPa，均小于应力控制值，发生在坝体下游面2 000.00～2 010.00 m高程右拱端。

6 结 语

本文根据杨房沟水电站坝址地形地质条件，结合岩体质量情况，确定了拱坝建基面，左岸平均水平嵌深28.60 m，右岸平均水平嵌深21.60 m。根据国内高拱坝设计经验，对应用较多的抛物线、椭圆、对数螺旋线三种线型进行了比较研究，最终采用抛物线线型，并对优化出的拱坝体形进行了拱梁分载法及三维线弹性有限元法应力变形计算，分析成果表明坝体应力满足规范要求，设计体形是合理可行的。

[1]上海勘测设计研究院，长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.DL/T 5346—2006混凝土拱坝设计规范[S]．北京：中国电力出版社，2007.

[2]朱伯芳.拱坝设计与研究[M].北京:中国水利水电出版社，2002：386-388.

(责任编辑 姚小槐)

2015-10-08

黄熠辉(1979-)，男，高级工程师，硕士，主要从事水利工程设计工作。E-mail:huang-yh@ecidi.com

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