杜仲河水庫砌石雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)

李海波

1 概況

杜仲河水庫位于貴州省甕安縣城北部，銀盞鄉(xiāng)境內(nèi)的巖坑河段上。初步設(shè)計(jì)階段樞紐壩型為C15細(xì)石混凝土砌毛石雙曲拱壩，壩頂高程930.70 m，建基面高程879.00 m，最大壩高51.70 m，壩頂寬4 m，壩頂弧長121.278 m，最大壩底寬度10.50 m，厚高比0.203，最大外半徑85 m，最大中心角81.75°。

施工階段，通過進(jìn)一步詳勘及已開挖揭露的基礎(chǔ)情況可知：壩址部位為相對弱巖溶發(fā)育部位，壩基及兩壩肩基巖裸露，強(qiáng)風(fēng)化層較淺，巖體為高臺組第二段(∈2g2)白云巖，中硬質(zhì)巖類，允許承載壓應(yīng)力為3.0 MPa。初步設(shè)計(jì)時大壩建基面位于弱風(fēng)化下部，計(jì)算壩體內(nèi)部應(yīng)力及上部抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有較大富余，壩體建基面抬高2～3 m后仍位于弱風(fēng)化中、上部，巖體工程地質(zhì)條件仍能滿足要求[1]。同時，基礎(chǔ)抬高后的壩體體型及工程量減小，在重新進(jìn)行拱壩體型設(shè)計(jì)與調(diào)算過程中，還可從拱圈線型及壩體厚度方面做一定程度的優(yōu)化的嘗試。

2 抬高建基面優(yōu)化

施工期大壩建基面的確定，主要根據(jù)壩高及壩基巖體質(zhì)量，并考慮溶蝕裂隙及風(fēng)化情況而定。據(jù)前階段壩基應(yīng)力計(jì)算成果及地基承載力值比較，抬高后壩基巖體工程地質(zhì)條件仍能滿足要求，故擬將壩建基面高程定于881.7 m，較上階段抬高2.7 m。由于水庫水位不變，壩頂高程也不變，因此未改變工程規(guī)模，抬高后最大壩高49 m。

基礎(chǔ)經(jīng)開挖揭示后，對壩基及壩肩巖體作了24個聲波檢測點(diǎn)，檢測結(jié)果為：左壩肩波速在2954 m/s～3489 m/s，平均波速3221 m/s；右壩肩波速在2950 m/s～3492 m/s，平均波速3231 m/s；壩基段波速在 3012 m/s～3752 m/s，平均波速 3471 m/s，可見巖體完整性較好，巖石層面結(jié)合較好。根據(jù)壩基（肩）開挖后對巖體質(zhì)量分級評定，優(yōu)化壩基抬高2.7 m后持力層坐落于弱風(fēng)化中部巖體，壩基承載力滿足建壩要求。

3 拱圈體型優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)頂拱中心角81.75°，左右拱圈為非對稱布置，頂拱外半徑85.00 m，拱冠梁上游面二次曲線方程為：y=-0.343000z+0.0048323z2，各層拱圈厚度方程為：T=Tc+(TB-Tc)y/H，其中：壩頂厚度TC=4.0 m，壩底厚度TB=10.5 m。施工圖優(yōu)化設(shè)計(jì)時調(diào)整經(jīng)驗(yàn)系數(shù)β1、β2，將凸點(diǎn)高程由 895.21 m提高至898.85 m，最大外挺值 emax由6.087 m減至 5.351 m，壩基外挺值eb由4.97 m減至3.80 m，拱冠梁上游曲線方程為：y=-0.336054z+0.0052756z2，拱圈厚度方程及TC不變，TB值分別取10.0 m、9.5 m、9.0 m計(jì)算，根據(jù)各體型數(shù)據(jù)用北京水科院“Adaso”軟件計(jì)算壩體應(yīng)力及拱端推力，并計(jì)算拱端抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，以經(jīng)濟(jì)、安全為原則進(jìn)行比較，最終確定壩底厚度TB=9.5 m方案。

上階段上部拱端抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)富余較大，且與下部值差異較大，故考慮適當(dāng)縮小上部拱圈半徑，增大中心角，調(diào)整拱端嵌深，對減小壩體厚度后壩內(nèi)應(yīng)力更為有利。優(yōu)化后頂拱中心角89.29°，左右頂、底拱圈采用對稱布置，頂拱外半徑78.00 m，為提高壩體下部拱端抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，將底部拱圈半徑由35.75 m增加至39.5 m，同時進(jìn)行拱冠圓心方程進(jìn)行優(yōu)化和推求，使拱冠梁曲線得到進(jìn)一步優(yōu)化。詳見圖1、圖2。

圖1 初步設(shè)計(jì)拱冠梁體型圖

圖2 優(yōu)化后拱冠梁體型圖

4 應(yīng)力計(jì)算分析比較

大壩主體材料為C15細(xì)石混凝土砌毛石，容重2.3 t/m3，彈模 0.7×104MPa，泊松比 0.22，線膨脹系數(shù) 0.8×10-5/℃，導(dǎo)溫系數(shù)3 m2/月；基巖材料參數(shù)依據(jù)地質(zhì)提供資料：容重2.6 t/m3，彈模0.75×104MPa，泊松比 0.29，線膨脹系數(shù) 1.0×10-5/℃，基巖材料參數(shù)和溫度荷載初始值根據(jù)最新資料輸入。拱壩應(yīng)力分析采用多拱梁法[2]，采用北京水科院編寫的Adaso程序進(jìn)行計(jì)算，荷載組合分5種基本荷載組合和1種特殊荷載組合：

①正常蓄水位及尾水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+設(shè)計(jì)正常溫降

②正常蓄水位及尾水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+設(shè)計(jì)正常溫升

③死水位及尾水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+設(shè)計(jì)正常溫降

④死水位及尾水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+設(shè)計(jì)正常溫升

⑤設(shè)計(jì)洪水位及尾水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+動水壓力+設(shè)計(jì)正常溫升

⑥校核洪水位及相應(yīng)尾水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+動水壓力+設(shè)計(jì)正常溫升（特殊組合）

由于Adaso程序每次能計(jì)算2種基本荷載組合，因此采取以下3種工況組合進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算（抗滑穩(wěn)定計(jì)算時同）：

工況組合A：基本荷載組合① + 特殊荷載組合⑥

工況組合B：基本荷載組合③ + 基本荷載組合⑤

工況組合C：基本荷載組合④ + 基本荷載組合②

經(jīng)計(jì)算，初步設(shè)計(jì)階段壩身最大壓應(yīng)力為2.345 MPa，最大拉應(yīng)力為-0.437 MPa，拱端最大拉應(yīng)力/壓應(yīng)力如下：

工況組合A：-0.972 MPa（901m右拱端上游面）/2.792 MPa（901 m右拱端下游面）；

工況組合B：-0.761 MPa（894 m右拱端上游面）/2.477 MPa（901 m右拱端下游面）；

工況組合C：-0.694 MPa（894 m右拱端上游面）/2.287 MPa（894 m右拱端下游面）。

進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后壩身最大壓應(yīng)力為2.534 MPa，最大拉應(yīng)力為-0.603 MPa，拱端最大拉應(yīng)力/壓應(yīng)力如下：

工況組合①：-1.032 MPa（901 m左拱端上游面）/2.917 MPa（901 m左拱端下游面）；

工況組合②：-0.805 MPa（894 m左拱端上游面）/2.591 MPa（901 m左拱端下游面）；

工況組合③：-0.745 MP（894 m右拱端上游面）/2.309 MPa（894 m左拱端下游面）。

可見，優(yōu)化后的拱壩應(yīng)力分布規(guī)律無較大變化，最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均出現(xiàn)在拱端部位，壓應(yīng)力有增大趨勢但幅度不大，且均小于壩基承載力，滿足《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL25-2006）中容許壓應(yīng)力、拱壩周邊和其他部位拉應(yīng)力控制要求[3]。

5 壩肩抗滑穩(wěn)定計(jì)算和比較

在穩(wěn)定計(jì)算中截取單位高度的壩體及巖體，根據(jù)Adaso程序算出的各層拱圈的拱端推力，采用平面穩(wěn)定分析方法，按剛體極限穩(wěn)定方法核算壩肩巖體的穩(wěn)定，各層拱圈抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc計(jì)算值見表1。

優(yōu)化前后拱壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均處于右壩肩894～908 m拱圈高程區(qū)間，但優(yōu)化后安全系數(shù)較初步設(shè)計(jì)方案有所提升，且安全系數(shù)總體差異值減小。計(jì)算成果均滿足砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范中抗剪斷安全系數(shù)基本組合Kc=3.0，特殊組合滿足Kc=2.5的穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc計(jì)算表

6 結(jié)論

初步設(shè)計(jì)拱壩建基面高程879.00 m，最大壩高51.70 m，壩底寬度10.50 m，厚高比0.203。施工圖設(shè)計(jì)階段將壩建基面高程定于881.7 m，較初設(shè)階段抬高2.7 m，最大壩高優(yōu)化為49 m，壩底寬度9.50 m，厚高比0.194，由上階段中厚型拱壩優(yōu)化為薄拱壩。優(yōu)化設(shè)計(jì)后壩身主體工程量大幅下降，僅計(jì)入主要工程量項(xiàng)目并按初步設(shè)計(jì)階段單價進(jìn)行計(jì)算的情況下，工程直接概算投資就已節(jié)省391.32萬元，效益顯著。施工圖階段已按此優(yōu)化方案進(jìn)行施工，現(xiàn)大壩已蓄水3年，根據(jù)采集的壩身各部位多項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，大壩運(yùn)行正常，此次設(shè)計(jì)優(yōu)化是成功的。

[1]朱伯芳、高季章、陳祖煜、厲易生.拱壩設(shè)計(jì)與研究[M].中國水利水電出版社，2002.

[2]水工建筑物設(shè)計(jì)叢書，黎展眉.拱壩[M],水利電力出版社，1982.

[3]SL 25-2006，砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].