高拱壩建基面巖體及壩體混凝土參數(shù)的合理選用研究

遲守旭，吳桂蘭，于海江，王佩玨，范瑞朋

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

高拱壩建基面巖體及壩體混凝土參數(shù)的合理選用研究

遲守旭，吳桂蘭，于海江，王佩玨，范瑞朋

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要課題，現(xiàn)在普遍的做法是采用拱梁分載法，主要參數(shù)包括建基面巖體和壩體混凝土的力學(xué)、熱學(xué)參數(shù)，其取值準(zhǔn)確性與拱壩體形設(shè)計(jì)合理性直接相關(guān)。以嚴(yán)寒地區(qū)某167.5 m高拱壩為例，提出采用敏感性分析方法，對(duì)建基面巖體和壩體混凝土的主要參數(shù)選用的合理性進(jìn)行研究，保證拱壩體形設(shè)計(jì)的合理性。

拱壩；體形設(shè)計(jì)；敏感性分析

1 引言

拱壩主要以壓力拱的形式將荷載傳到兩岸山體，并以壩—基礎(chǔ)的聯(lián)合作用完成擋水任務(wù)。它適合修建于V和U形河谷，是經(jīng)濟(jì)性與安全性都比較優(yōu)越的壩型之一[1]。

拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要課題，涉及到建基面選擇、壩體應(yīng)力、壩肩穩(wěn)定等各個(gè)方面，是關(guān)系拱壩設(shè)計(jì)成功與否的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在普遍的做法是采用拱梁分載法進(jìn)行體形優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括基礎(chǔ)和壩體的力學(xué)參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)，其中巖體變形模量、混凝土彈性模量、混凝土線脹系數(shù)等參數(shù)選用是否合理，直接關(guān)系到拱壩體形設(shè)計(jì)的合理性。

建基面巖體變形模量受勘察認(rèn)識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)爆破施工、地應(yīng)力釋放、固結(jié)灌漿效果等因素影響，前期設(shè)計(jì)中難以準(zhǔn)確估計(jì)。地質(zhì)所提供參數(shù)一般是一個(gè)范圍值，體形優(yōu)化時(shí)如何取用影響甚大。壩體混凝土彈性模量、線脹系數(shù)等參數(shù)是壩體設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，其受配比試驗(yàn)、骨料、水泥、摻加劑、材料不均勻性、橫縫灌漿質(zhì)量等的影響，且體形設(shè)計(jì)時(shí)采用壩體混凝土持續(xù)彈性模量進(jìn)行計(jì)算，持續(xù)彈性模量規(guī)范規(guī)定采用瞬時(shí)彈性模量的0.6～0.7倍[2]，體形設(shè)計(jì)時(shí)難以精確取用?；炷辆€脹系數(shù)的取值與混凝土骨料巖性、混凝土配合比、溫度變化及濕度狀態(tài)相關(guān)，具有一定的不確定性。

因此，拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)中，提出一種敏感性分析方法，首先要對(duì)計(jì)算所需基本參數(shù)分析確定采用值，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試得到拱壩初步體形，再考慮以上主要參數(shù)變化范圍，保證在各種情況下拱壩體形均滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

2 工程概況

嚴(yán)寒地區(qū)某雙曲拱壩壩高167.5 m，總庫(kù)容3.68億m3，總裝機(jī)容量160 MW，為一項(xiàng)綜合工程的組成部分，整體工程為大（1）型I等工程。本拱壩樞紐主要建筑物為2級(jí)，由于混凝土拱壩壩高超過(guò)130 m，拱壩級(jí)別提高一級(jí)，按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。工程區(qū)地處嚴(yán)寒、強(qiáng)震地帶，多年平均氣溫7.7℃，極限溫差達(dá)78℃，每年有效澆筑時(shí)間僅6個(gè)月。拱壩的抗震設(shè)防類別為甲類，按9度設(shè)計(jì)，壩址區(qū)100 a超越概率2%地震動(dòng)峰值加速度為0.431 g，100 a超越概率1%地震動(dòng)峰值加速度為0.510 g。

壩址處為V形河谷，河谷狹窄，寬高比為1.26，主河床寬約20 m，岸坡坡度多在65°以上，兩岸谷坡地形較平順完整。壩址區(qū)基巖以巨厚層、厚層、中厚層灰?guī)r為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬，但巖體中隱微裂隙較發(fā)育，巖塊（體）受過(guò)“內(nèi)傷”，呈現(xiàn)出“似鑲嵌結(jié)構(gòu)”，導(dǎo)致灰?guī)r巖塊強(qiáng)度總體偏低，AⅡ類巖體分布較少。地層發(fā)育有侵入巖脈，巖性為花崗閃長(zhǎng)斑巖，具有不同程度的蝕變。壩址區(qū)構(gòu)造格架簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)面稀疏發(fā)育。拱壩受力范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造總體不發(fā)育，Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面5條，其中Jef4為中緩傾角切層斷層、其余均為陡傾角層間錯(cuò)動(dòng)斷層，另有部分Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，性狀以硬性結(jié)構(gòu)面為主。

總之，本工程地處嚴(yán)寒地區(qū)，地震烈度高，年有效施工期短，加之地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，對(duì)拱壩的體形優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

3 拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

高拱壩的投資主要由壩體混凝土體積決定。因此，體形優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，以拱壩體積作為目標(biāo)函數(shù)，其它要求均以約束條件形式在過(guò)程中具體體現(xiàn)。拱壩優(yōu)化的約束函數(shù)包括幾何約束、應(yīng)力約束和穩(wěn)定約束，它們必須全面地滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，并考慮施工和結(jié)構(gòu)布置上的要求。拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院ADASO五向調(diào)整拱壩應(yīng)力分析程序，用懲罰函數(shù)法和序列二次規(guī)劃法求解，計(jì)算速度和精度均較高。

4 拱壩體形優(yōu)化初步成果

結(jié)合此拱壩特點(diǎn)，采用拱梁分載法，綜合考慮建基面、壩體應(yīng)力、壩肩穩(wěn)定等主要因素，經(jīng)過(guò)多方案對(duì)比分析，最終以上下游倒懸度≤0.3、8.0 m≤壩頂厚度≤10.0 m、拱端厚度≤50.0 m為幾何約束條件，以半中心角≤49°、最大中心角≤97°為穩(wěn)定約束條件，以壓應(yīng)力≤8.75 MPa（C9035混凝土）、拉應(yīng)力≤1.2 MPa、接縫灌漿前壩塊自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力≤0.5 MPa為應(yīng)力約束條件進(jìn)行體形優(yōu)化設(shè)計(jì)，拱壩體形優(yōu)化成果見表1。

表1 拱壩優(yōu)化體形參數(shù)

5 建基面巖體變形模量參數(shù)選擇及敏感性分析

本工程壩址區(qū)巖性以巨厚層、厚層、中厚層灰?guī)r為主，但由于巖塊（體）受過(guò)“內(nèi)傷”，呈現(xiàn)出“似鑲嵌結(jié)構(gòu)”，Ⅱ類巖體分布較少，建基面巖體以AⅢ-1和AⅢ-2類為主，局部Jef4出露部位為AⅣ類，需進(jìn)行混凝土置換處理。

通常地勘報(bào)告中提供的拱壩建基面巖體物理力學(xué)參數(shù)非常全面但很少給出定值，一般來(lái)說(shuō)每個(gè)巖體力學(xué)參數(shù)都給設(shè)計(jì)提供了一個(gè)取值范圍，有的參數(shù)取值范圍比較寬，在允許的范圍內(nèi)取不同的參數(shù)值，得出的優(yōu)化成果相差可能很大。甚至有可能，同樣在推薦允許范圍內(nèi)取值，用其中一個(gè)參數(shù)優(yōu)化出來(lái)的方案代入另一個(gè)參數(shù)值，則變成了不可行方案。所以說(shuō)，如果選用了不合理的地質(zhì)參數(shù)，就有可能造成較大的工程風(fēng)險(xiǎn)。另外，拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)采用較低的基巖變模值并不能保證壩體更安全，工程采用方案中壩體應(yīng)力值必須留有一定的寬裕度，以適應(yīng)壩基變形模量的變化。

本工程在進(jìn)行體形優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)每層拱圈的變形模量均根據(jù)平切圖拱端所處的巖體類別地質(zhì)建議值的中值以及其在拱端處所占比例，按照加權(quán)平均法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)資料，AⅡ級(jí)巖體變形模量為13.0～15.0 GPa，計(jì)算時(shí)取14.0 GPa；AⅢ-1級(jí)巖體變形模量為8～11 GPa，計(jì)算時(shí)取9.5 GPa；AⅢ-2級(jí)巖體變形模量為6～7 GPa，計(jì)算時(shí)取6.5 GPa。建基面各類巖體變形模量上下浮動(dòng)20%后取值范圍，見表2。

表2 拱壩建基面巖體變形模量 GPa

由表2可以看出，當(dāng)采用地質(zhì)建議值的中值上下浮動(dòng)20%作為建基面巖體變形模量分析時(shí)，每類巖體的取值范圍均將地質(zhì)建議值包含在內(nèi)，可全面滿足拱壩體形設(shè)計(jì)對(duì)建基面巖體變形模量的要求。因此，拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，各類巖體變形模量采用中值，并按照上下浮動(dòng)20%進(jìn)行敏感性分析。

對(duì)本工程而言，綜合考慮壩址區(qū)巖體特性及建基面選擇結(jié)論，經(jīng)計(jì)算分析，體形優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)基礎(chǔ)綜合變形模量取值見表3。

表3 拱壩基礎(chǔ)綜合變形模量

根據(jù)表2及分析成果，在體形初步成果的基礎(chǔ)上，對(duì)建基面巖體變形模量進(jìn)行敏感性分析，浮動(dòng)范圍以20%控制，主要工況包括：工況1—2，建基面巖體變形模量整體上、下浮動(dòng)20%；工況3—4，左岸整體上、下浮動(dòng)20%；工況5—6，右岸整體上、下浮動(dòng)20%；工況7，考慮左岸Jef4影響范圍，713～740 m高程局部下浮20%。

考慮本工程地處高寒地帶，極限溫差、溫度荷載大，而對(duì)高拱壩而言拉應(yīng)力一般對(duì)壩體應(yīng)力起控制作用，因此，在建基面巖體變形模量敏感性分析時(shí)，計(jì)算采用“上游正常蓄水位+相應(yīng)下游水位+泥沙壓力+自重+溫降”荷載組合（以下簡(jiǎn)稱“正常+溫降”荷載組合），壩體位移、應(yīng)力計(jì)算成果見表4。

表4 拱壩體形基礎(chǔ)變形模量敏感性分析計(jì)算成果

由計(jì)算結(jié)果分析可知，建基面巖體變形模量在擬定的20%范圍內(nèi)浮動(dòng)時(shí)，對(duì)壩體位移及應(yīng)力均有一定的影響，其一般規(guī)律為：隨著變形模量增大，下游面主拉應(yīng)力減小、主壓應(yīng)力增大，上游面主拉應(yīng)力增大、主壓應(yīng)力減小，壩體位移分布規(guī)律一致，最大徑向位移呈減小趨勢(shì)；反之，規(guī)律相反。

在左右岸基礎(chǔ)巖體綜合變形模量浮動(dòng)范圍內(nèi)，壩體最大主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力值均滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，位移分布規(guī)律及數(shù)值符合常規(guī)，說(shuō)明計(jì)算采用的變形模量使拱壩體形具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠保證此參數(shù)在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)時(shí)拱壩體形保持不變。

6 壩體混凝土彈性模量參數(shù)選擇及敏感性分析

本工程骨料采用料場(chǎng)加工料，其巖性為灰?guī)r。按照規(guī)范要求，拱壩應(yīng)力分析應(yīng)采用壩體混凝土持續(xù)彈性模量進(jìn)行計(jì)算，其值可采用混凝土試件瞬時(shí)彈性模量的0.6～0.7倍。國(guó)內(nèi)拱壩設(shè)計(jì)時(shí)，壩體混凝土彈性模量取值一般在22～26GPa，如東莊拱壩22GPa、大崗山拱壩24 GPa、拉西瓦拱壩24 GPa、構(gòu)皮灘拱壩25 GPa、溪洛渡拱壩26 GPa。參考國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，本工程采用值為22 GPa。

根據(jù)以上分析，在體形初步成果的基礎(chǔ)上，對(duì)壩體混凝土彈性模量進(jìn)行敏感性分析，浮動(dòng)范圍控制在20%左右，取壩體混凝土持續(xù)彈性模量下限值為19 GPa、上限值為25 GPa進(jìn)行敏感性分析，計(jì)算采用“正常+溫降”荷載組合，壩體位移、應(yīng)力計(jì)算成果見表5。

表5 拱壩體形混凝土彈性模量敏感性分析計(jì)算成果

由計(jì)算結(jié)果分析可知，壩體混凝土持續(xù)彈性模量在19～25 GPa浮動(dòng)變化時(shí)，對(duì)拱壩壩體位移及應(yīng)力均產(chǎn)生一定影響，其規(guī)律為：隨著壩體彈性模量增大，下游面主拉應(yīng)力增大、主壓應(yīng)力減小，上游面主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力均呈增大趨勢(shì)，壩體徑向位移分布規(guī)律一致，最大徑向位移呈減小趨勢(shì)；反之，規(guī)律相反。

在壩體彈性模量浮動(dòng)范圍內(nèi)，壩體最大主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力值均滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，位移分布規(guī)律及數(shù)值符合常規(guī)，說(shuō)明計(jì)算采用的彈性模量使拱壩體形具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠保證此參數(shù)在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)時(shí)拱壩體形保持不變。

7 壩體混凝土線脹系數(shù)選擇及敏感性分析

混凝土線脹系數(shù)與混凝土骨料巖性、混凝土配合比、溫度變化及濕度狀態(tài)相關(guān)。因此，在拱壩體形設(shè)計(jì)時(shí)，其取值具有一定的不確定性，前期體形設(shè)計(jì)采用值與實(shí)際情況可能存在一定的差異。為了反映混凝土線脹系數(shù)的取值不確定性對(duì)壩體應(yīng)力的影響，進(jìn)行混凝土線脹系數(shù)敏感性分析是非常必要的。本工程體形優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，線脹系數(shù)取0.8×10-5/℃。參考國(guó)內(nèi)外工程計(jì)算參數(shù)，取壩體混凝土線脹系數(shù)下限值為0.60×10-5/℃、上限值為1.00×10-5/℃進(jìn)行敏感性分析，計(jì)算采用“正常+溫降”荷載組合，壩體位移、應(yīng)力計(jì)算成果見表6。

表6 拱壩體形混凝土線脹系數(shù)敏感性分析計(jì)算成果

由計(jì)算結(jié)果分析可知，壩體混凝土線脹系數(shù)在（0.60×10-5～1.0×10-5）/℃浮動(dòng)變化，對(duì)壩體位移和應(yīng)力均產(chǎn)生一定的影響，其規(guī)律為：隨著線脹系數(shù)增大，下游面主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，上游面主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力亦呈增大趨勢(shì)，壩體徑向位移分布規(guī)律一致，最大徑向位移呈減小趨勢(shì)；反之，規(guī)律相反。

在混凝土線脹系數(shù)浮動(dòng)范圍內(nèi)，壩體最大主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力值均滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，位移分布規(guī)律及數(shù)值符合常規(guī)，說(shuō)明計(jì)算采用的線脹系數(shù)使拱壩體形具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠保證此參數(shù)在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)時(shí)拱壩體形保持不變。

8 結(jié)論

拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要課題，涉及到建基面選擇、壩體應(yīng)力、壩肩穩(wěn)定等各個(gè)方面，是關(guān)系拱壩設(shè)計(jì)成功與否的重要環(huán)節(jié)。以新疆某167.5 m高拱壩為例，對(duì)建基面巖體變形模量、壩體混凝土彈性模量和線脹系數(shù)等主要影響體形選擇的參數(shù)進(jìn)行論證和敏感性分析，保證所推薦的拱壩體形能適應(yīng)主要參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變化，這對(duì)減少拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)的反復(fù)工作量、提高拱壩的適應(yīng)性有重要意義，并可推廣至其它拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

[1]王仁坤，林鵬.溪洛渡特高拱壩建基面嵌深優(yōu)化的分析與評(píng)價(jià)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008（10）：2010-2018.

[2]SL 282-2003，混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

《浙江省河長(zhǎng)制規(guī)定》將于10月1日起施行

2017年7月28日，浙江省第十二屆人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第四十三次會(huì)議審議通過(guò)《浙江省河長(zhǎng)制規(guī)定》，自2017年10月1日起施行。這是國(guó)內(nèi)第一個(gè)省級(jí)層面河長(zhǎng)制專項(xiàng)立法，標(biāo)志著浙江省河長(zhǎng)制工作有了全面的法律保障。

《規(guī)定》明確了縣級(jí)以上河長(zhǎng)制工作機(jī)構(gòu)及各級(jí)河長(zhǎng)的工作職責(zé)，建立省級(jí)、市級(jí)、縣級(jí)、鄉(xiāng)級(jí)、村級(jí)五級(jí)河長(zhǎng)體系?？缭O(shè)區(qū)的市重點(diǎn)水域應(yīng)當(dāng)設(shè)立省級(jí)河長(zhǎng)，各水域所在設(shè)區(qū)的市、縣（市、區(qū)）、鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）、村（居）應(yīng)當(dāng)分級(jí)分段設(shè)立市級(jí)、縣級(jí)、鄉(xiāng)級(jí)、村級(jí)河長(zhǎng)，各級(jí)河長(zhǎng)名單應(yīng)向社會(huì)公布。據(jù)省治水辦（河長(zhǎng)辦）統(tǒng)計(jì)，截至目前，浙江省共有約4萬(wàn)條河流及湖泊設(shè)立了57 533名河長(zhǎng)。

（摘自2017年8月3日水利部網(wǎng)）

Study on Reasonable Parameters Selection for Foundation Rock and Body Concrete of High Arch Dam

CHI Shou-xu，WU Gui-lan，YU Hai-jiang，WANG Pei-jue，F(xiàn)AN Rui-peng
（China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China）

Arch dam shape optimization design is an important issue.It is now common practice to use the trial load meth?od.The main parameters include mechanics and thermal parameters of foundation rock and dam body concrete，and its ac?curacy is directly related to the rationality of arch dam design.In this dissertation，a 167.5m high arch dam in cold area is taken as an example，and the sensitivity analysis method is used to study the rationality of the main parameters of the foun?dation rock and the dam body concrete to ensure the rationality of arch dam shape design.

arch dam；shape design；sensitivity analysis

TV642.4

A

1004-7328（2017）05-0020-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.007

2017—06—28

遲守旭（1977—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)工作。