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，工程等级为Ⅱ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330°～355°，倾向240°～265°，倾角8°～15°；坝区断裂较发育，多数为张性正断层，走向NE10°～50°之间，横切或斜切河谷，断层错距小，破碎带也很小，倾角一般60°～80°；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0～20cm，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0～3m。砂岩抗风化能力次之，局部有弱风化，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70°～80°，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，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
4．1 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梁布置，采用相同的设计参数。
4．2 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。
（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 | 15.37℃ | DTa | 日照对水位以上坝面多年平均温度的影响 | 2℃ |
AaD | 气温年变幅（温降） | 12.55℃ | DAa | 日照对水位以上坝面温度年变幅的影响 | 2℃ |
AaI | 气温年变幅（温升） | 12.55℃ | Tor0 | 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 | 2℃ |
Tkd | 库底或上游恒温层的温度 | 10.5℃ | AshDo | 上游面表面水温年变幅（温降） | 11.75℃ |
HTkd | 上游恒温层的高程 | 183.0m | AshIo | 上游面表面水温年变幅（温升），11.75℃ |
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Taxio | 下游面多年平均表面水温 | 16.38℃ | dAsho | 日照对上游表面水温年变幅的影响 | 2℃ |
Txid | 下游恒温层的温度 | 16.8℃ | dTaxio | 日照对下游面多年平均表面水温的影响 | 2℃ |
HTxid | 下游恒温层的高程 | 183.0m | dAxio | 日照对下游表面水温年变幅的影响 | 2℃ |
AxiDo | 下游面表面水温年变幅（温降） | 11.75℃ | AxiIo | 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
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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 | 267.7 | 7 | 113.5 | 49.7858° | 47.0389° | 191.8 |
技施体型 | 267.8 | 5 | 81.8 | 44.62° | 45.03° | 185.3 | |
初设体型 | 坝底 | 181.9 | 18 | 61.27 | 27.951° | 27.591° | 59.78 |
技施体型 | 183 | 16 | 43.7 | 32.35° | 33.08° | 58.8 |
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 | 0.31MPa | [4R,0C] | 3.17MPa | ［9R,1C］ | 0.28MPa | ［9R,1C] | 1.90MPa | ［6R,0C] |
工况1 | 0.72MPa | [6R,-4C] | 3.28MPa | ［1R,-9C］ | 0.18MPa | ［2R,-7C] | 3.71MPa | ［5R,-5C] |
工况2 | 0.38MPa | [7R,3C] | 3.04MPa | ［1R,-9C］ | 0.65MPa | ［4R,6C] | 2.59MPa | ［7R,0C] |
工况3 | 0.65MPa | [6R,-4C] | 3.27MPa | ［1R,-9C］ | 0.21MPa | ［2R,-7C] | 3.45MPa | ［6R,-4C] |
工况4 | 0.65MPa | [5R,5C] | 2.60MPa | ［8R,2C］ | 0.62MPa | ［8R,1C] | 3.53MPa | ［5R,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”坝体上游面第二主应力
高程 梁号 | 267.7 | 250 | 236 | 225 | 210 | 200 | 188 | 181.9 |
-9 | 0 |
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-8 | 0 | 0.12 |
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-7 | 0 | -0.02 | -0.44 |
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-6 | 0 | 0.00 | -0.39 | -0.75 |
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-5 | 0 | 0.16 | -0.16 | -0.14 | -0.98 |
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-4 | 0 | 0.30 | 0.11 | 0.15 | -0.26 | -0.73 |
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-3 | 0 | 0.43 | 0.37 | 0.21 | 0.22 | 0.14 | -0.35 |
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-2 | 0 | 0.48 | 0.43 | 0.23 | 0.26 | 0.48 | -0.23 | -0.63 |
-1 | 0 | 0.54 | 0.49 | 0.27 | 0.27 | 0.40 | -0.31 | -0.91 |
0 | 0 | 0.53 | 0.49 | 0.27 | 0.27 | 0.35 | -0.33 | -0.96 |
1 | 0 | 0.48 | 0.42 | 0.22 | 0.25 | 0.40 | -0.29 | -0.90 |
2 | 0 | 0.32 | 0.27 | 0.11 | 0.22 | 0.47 | -0.18 | -0.56 |
3 | 0 | 0.22 | 0.17 | 0.07 | 0.17 | 0.16 | -0.28 |
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4 | 0 | -0.03 | -0.13 | -0.02 | -0.26 | -0.68 |
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5 | 0 | -0.24 | -0.38 | -0.25 | -0.92 |
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6 | 0 | -0.44 | -0.50 | -0.79 |
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7 | 0 | -0.49 | -0.56 |
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8 | 0 | -0.38 |
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9 | 0 |
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表5 技施阶段优化体型，“校核水位+温升”坝体上游面第二主应力
高程 梁号 | 267.8 | 257.2 | 246.6 | 236 | 225.4 | 214.8 | 204.2 | 193.6 | 183 |
-9 | 0 |
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-8 | 0 | 0.44 |
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-7 | 0 | 0.5 | 0.2 |
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-6 | 0 | 0.42 | 0.35 | -0.44 |
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-5 | 0 | 0.41 | 0.55 | 0.13 | -0.67 |
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-4 | 0 | 0.41 | 0.56 | 0.52 | 0.05 | -0.72 |
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-3 | 0 | 0.39 | 0.53 | 0.5 | 0.51 | 0.19 | -0.63 |
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-2 | 0 | 0.37 | 0.5 | 0.48 | 0.48 | 0.6 | 0.22 | -0.34 |
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-1 | 0 | 0.34 | 0.46 | 0.44 | 0.44 | 0.62 | 0.88 | 0.7 | 0.79 |
0 | 0 | 0.25 | 0.26 | 0.13 | 0.05 | 0.24 | 0.61 | 0.39 | 0.49 |
1 | 0 | 0.31 | 0.35 | 0.26 | 0.28 | 0.59 | 0.76 | 0.55 | 0.85 |
2 | 0 | 0.33 | 0.33 | 0.2 | 0.19 | 0.29 | -0.12 | -0.28 |
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3 | 0 | 0.34 | 0.33 | 0.16 | 0.13 | -0.07 | -0.59 |
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4 | 0 | 0.35 | 0.31 | 0.19 | -0.06 | -0.63 |
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5 | 0 | 0.38 | 0.36 | 0.31 | -0.51 |
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6 | 0 | 0.4 | 0.46 | 0.02 |
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7 | 0 | 0.35 | 0.35 |
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8 | 0 | 0.4 |
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9 | 0 |
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5 结论
拱坝是一种应力复杂、受地形地质条件制约较大的空间壳体结构，对拱坝进行优化设计，是拱坝设计的关键技术和重要内容。本文详细介绍了峡口水利水电枢纽工程技施设计阶段混凝土拱坝优化设计成果。
（1）对坝基开挖线进行优化设计，确保拱坝坐落于新鲜岩层或微风化岩层上，消除了局部过大的应力集中，减少了工程开挖量。
（2）对坝型进行了优化设计，采用抛物线拱圈代替初设阶段推荐的圆形拱圈，使坝型更适应坝址地形地质条件。
（3）对体型进行了优化设计，优化后的体型应力状态更趋合理，坝体工程量和坝基开挖量明显有所减小，施工难度明显降低，取得了良好的经济效益。
作者简介：谌伟宁，男，高级工程师。
Optimization Design of Double-curved Arch Dam at Xiakou Hydraulic Enginnering
Chen Weinning1 He Jinping2
(1Institute of Exploration and Design of Water Conservancy and Hydropower Hubei Province, Wuhan 430070
2State Key Laboratory of water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072)
Abstract: It’s detailed on Optimization of the base outline of excavation and the shape of the dam. After Optimization, more reasonable stress distribution, higher stability have achieved, with the quantities of excavation and concrete of dam reduced and convenience to construction. Economic superiority is obvious.
Key word: the base outline of excavation, parabola arch, optimization design