南康河电站碾压混凝土拱坝的设计

孔伟余倩庞崇林

【摘要】： 本文通过对南康河二级水电站碾压混凝土拱坝的设计计算过程进行了简要分析介绍，按照规范的要求并结合实际应用情况对计算分析结果作了总结。

【关键词】：碾压混凝土拱坝; 有限元静力分析;设计总结

【 Abstract 】 This paper briefly analyses and introduces the design calculation process of RCC arch dam of Nalang river level 2 hydropower station, and according to the requirements and specifications and practical application, makes a conclusion for the calculation and analysis results.

【 Keywords 】 : RCC arch dam; the static analysis of finite element; the design summary

中图分类号: TV73 文献标识码：A文章编号：

1工程概况

南康河二级水电站位于云南省西盟县南卡江交汇口上游约500米处，电站总装机容量28MW。电站采用坝后式开发方式，主要枢纽建筑物有：碾压混凝土单曲重力拱坝、坝后式厂房、左岸冲沙洞（由导流洞改建）、坝顶（厂顶）溢洪道。水库库容3095.6×104m3，调节库容1288×104m3（具有日调节功能），工程等别为三等，工程规模为中型。

南康河电站采用碾压混凝土重力拱坝，最大坝高66.8m。坝顶宽6.0m，坝底厚21.40m。坝顶弧长179.00m，最大中心角90.383°，最小中心角6.059°，坝址处河谷呈“V”型，坝体大致呈对称布置。坝基基岩为石英片岩、钠长石英片岩，坝基底部为微风化岩体，中部为弱风化岩体，坝基上部约1/3为强风化岩体。整个坝基只有两条小断层，垂直于河道从坝基下部穿过。针对坝基上部较差的情况，在两岸中上部各开挖两个传力洞至弱风化基岩，并加强固结灌浆的措施。处理后的坝基主要参数如下：微风化～新鲜风化基岩变形模量为5~7GPa，弱风化基岩变形模量为3~5GPa，强风化基岩（处理后的）变形模量为1GPa。拱坝主体采用C15碾压混凝土，上、下游为变态混凝土，与坝基的接触带采用C20混凝土。

设计中各个工况的计算分析采用计算机三维整体建模，运用有限元软件计算分析。计算模型如下：

1、静力工况下坝体应力小结

由坝体在静力各工况下的计算结果及上表，我们可以得出以下结论：

（1）坝体在静力各工况下的应力场符合一般规律，坝体局部位置的最大拉应力超出混凝土的抗拉强度标准值（1.20MPa），但大值集中在很小范围内，且应力梯度较大，通常在1m~2m内衰减到允许值内，此种情况可认为是有限元计算中的应力集中现象。

（2）上游坝面应力：整体来看，上游面的较大拉应力主要分布在坝体中下部的两岸坝肩位置，且在温降时均较大。坝体上游面的最大主拉应力出现在正常蓄水位+温升工况，位于▽613.00m左岸上游侧坝肩角点处，值为3.49MPa，应力梯度较大，主要因为在该工况下，水位较高，兼受坝体温度荷载的影响，坝轴线缩短，在上游面拱顶产生压应力，坝肩上游处产生拉应力。在各工况下，除去应力集中点，坝体拉应力一般在1.00MPa以内，坝体整体结构基本满足混凝土的抗拉强度要求。

最大主压应力出现在校核洪水位+温升工况，此时坝体由于受到水荷载和温度荷载的共同作用，坝轴线伸长，混凝土受到约束而受压，坝体向上游变位，坝体整体受压。最大压应力值为-4.09MPa，出现在中孔上游侧上缘，满足混凝土的抗压强度要求（13.5MPa）。

（3）下游坝面应力：坝体下游的最大主拉应力出现在死水位+温降工况，值为1.49MPa，位于右岸坝顶下游侧坝肩。在该工况下，库水位较低，坝体受温度荷载的影响较大，坝轴线缩短，坝体与基岩交接处易产生拉应力。最大主压应力出现在校核洪水位+温升工况下，值为-6.42MPa，位于坝体下部左岸下游侧坝肩角点处，各工况下坝体压应力均满足混凝土的抗压要求。

（4）拱圈切面应力：由表4-6-3及各工况拱圈切面云图可知，最大主拉应力出现在正常蓄水位+温降工况，值为3.26MPa，位于▽615.00m上游左岸坝肩处，鉴于应力梯度较大，分布范围较小，施工时需关注该部位的应力分布，并实施相应的工程措施。在静力各工况下，除坝体与与基础交接处、廊道拐角处存在一定的应力集中效应外，坝体其它部位的拉应力均在1.00MPa范围内，基本满足混凝土的抗拉强度要求。最大主压应力值出现在校核洪水位+温升工况，值为-5.87MPa，出现在▽615.00下游右岸坝肩，各工况下压应力均满足混凝土的抗压强度要求。

2静力工况下坝体位移计算

经计算，静力各工况下，坝体各向位移最大值及出现位置如下表所示。

由坝体在静力各工况下的计算结果及上表可知，静力各工况下，坝体的位移场符合一般规律。坝体的顺河向位移最大值出现在正常蓄水位+温降工况，值为9.23mm，出现在拱中闸墩顶部，主要由于坝体在上游静水压力和温度荷载共同作用下，坝体产生了较大的向下游方向的变位。横河向位移最大值出现在校核洪水位+温升工况，最大值为-3.29mm，出现在左半拱的顶部。竖向沉降最大值出现在校核洪水位+温升工况，最大沉降值为-2.23mm，出现在下游侧坝体中下部。

在各工况下，拱坝整体的位移值均较小，且左右岸坝体位移基本呈对称分布。

3结论

由静力工况的应力场、位移场和大坝稳定安全系数计算结果，可以得到以下结论：

（1）坝体应力状态

从从有限元的计算结果看，静力工况下各个坝段的应力场符合一般规律。温度降低时，温度荷载对坝体▽640.00m以上受力不利；温度升高时，温度荷载对坝体▽640.00m以上抗滑稳定不利。在正常蓄水位+温降工况下，坝体受力最不利，产生较大的温度应力，主要位于坝体上游面的下部两岸坝肩及坝体下游面与厂房交接处。不考虑有限元应力集中，且经有限元等效应力处理后，各工况下坝体大部分区域拉应力均在1.00MPa以下，基本满足混凝土抗拉强度要求。

综合上述分析，认为静力工况下，坝体的强度基本能满足要求。

（2）坝体位移状态

坝体在静力各荷载作用下，位移较大值一般出现在顺河向的坝顶部位，主要由于坝顶顺河向刚度较小，但总体来看变形值均较小，各工况下各正向位移值均在10mm范围内。

（3）基于坝体应力状态的工程措施建议

基于有限单元法引起的应力集中现象，不必过多地计较坝踵、坝趾、坝肩与基础交接处个别应力值的大小，而是分析其拉应力分布区的范围以及拉应力梯度的趋势。实际工程中在两岸各增加了两个传力洞，并加强了固结灌浆等措施。

综合上述分析，在静力各工况下大坝满足强度和稳定要求。

参考文献

[1] 《混凝土拱坝设计规范》DL/T5346-2006

[2] 《碾压混凝土坝设计规范》SL314/2004

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。