李潤(rùn)偉，景建偉，姜德全

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

1 工程概況

龍江水電站樞紐工程位于云南省境內(nèi)。該工程是以發(fā)電、防洪為主。水庫(kù)正常蓄水位為872.00 m，總庫(kù)容為12.17×108m3，總裝機(jī) 240 MW。工程規(guī)模為大（1）型，大壩及泄洪建筑物為1級(jí)建筑物。壩址區(qū)地震基本烈度為8度，大壩抗震設(shè)計(jì)水平加速度代表值為0.36 g。

龍江水電站樞紐工程主要由雙曲拱壩、壩身泄水表孔、放水深孔、壩下消能塘、進(jìn)水口和左岸發(fā)電引水隧洞、地面廠房及GIS開關(guān)站等組成。

該工程于2006年11月28日開工，2010年4月下閘蓄水。目前，大壩主體已完工，3臺(tái)機(jī)組全部投入運(yùn)行。

2 拱壩布置

龍江大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高110 m，壩頂高程875.00 m，壩頂中心線弧長(zhǎng)472.00 m（包括溢流、重力墩壩段），拱冠梁處壩頂寬度6.00 m，壩底寬度23.76 m。壩體弧高比3.43，厚高比0.207。壩體共布置25條橫縫，共26個(gè)壩段。橫縫為鉛直縫，橫縫面上設(shè)置球形鍵槽。結(jié)合壩體應(yīng)力計(jì)算成果、壩基的地質(zhì)地形條件及結(jié)構(gòu)要求，將壩體混凝土強(qiáng)度分為C30和C25兩個(gè)區(qū)。在壩體內(nèi)部設(shè)置2層縱向水平廊道，沿兩岸壩基設(shè)置基礎(chǔ)廊道，在6號(hào)壩段下游側(cè)布置電梯井，壩后設(shè)置兩層交通橋。

3 拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 拱壩方案的確定

在可研階段，對(duì)混凝土重力壩方案和混凝土拱壩方案進(jìn)行了壩型比選，經(jīng)綜合比選，混凝土拱壩方案比混凝土重力壩方案節(jié)省投資直接費(fèi)約1.04億元，優(yōu)勢(shì)較明顯，其它條件兩方案基本相當(dāng)，因此，選用混凝土拱壩壩型。設(shè)計(jì)經(jīng)大量的分析、研究工作，論證了拱壩壩型的成立，節(jié)省了投資，為龍江工程的開工建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 拱壩體形優(yōu)化

龍江壩址處河谷呈基本對(duì)稱的寬“V”型，河谷寬高比約3.3。壩址區(qū)低高程基巖裸露，河谷較窄；高高程巖石風(fēng)化較深，壩基可利用巖面較低，岸坡較緩，壩頂弦長(zhǎng)較長(zhǎng)。為減小壩頂長(zhǎng)度，使拱壩受力均勻，將拱壩的兩岸壩頭布置重力墩，承擔(dān)拱壩推力。為使拱壩適應(yīng)壩基巖體變形模量的變化，設(shè)計(jì)采用變厚拱，拱圈沿拱冠向拱端逐漸加厚，另外，變厚拱亦可節(jié)省壩體混凝土量。

設(shè)計(jì)初選了橢圓雙曲拱壩，壩體厚高比0.246，最大中心角89.293°，基本體形混凝土方量為 47.80×104m3，經(jīng)壩體應(yīng)力分析、壩肩抗滑穩(wěn)定分析，滿足要求。根據(jù)初選拱壩體形的經(jīng)驗(yàn)，為減少壩體混凝土方量，節(jié)約投資，設(shè)計(jì)對(duì)拱壩體形進(jìn)一步優(yōu)化。為增強(qiáng)拱壩整體抗震性能，適當(dāng)減小了壩體中下部高程的中心角，加大壩體中上部的中心角；加大中上部高程懸臂梁向下游的倒懸度；減薄中上部高程壩體的厚度，以減小壩體的地震慣性力，在滿足壩體應(yīng)力要求的情況下，減小了混凝土方量。經(jīng)優(yōu)化選定的拱壩體形仍為橢圓雙曲拱壩，壩體弧高比3.43，厚高比0.207，最大中心角87.928°，基本體形混凝土方量為40.1×104m3，比原方案節(jié)省混凝土7.7×104m3，節(jié)約投資直接費(fèi)約為3500萬元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

拱壩體形設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且橢圓拱壩的設(shè)計(jì)變量達(dá)34個(gè)，人工設(shè)計(jì)難以求得最優(yōu)方案。設(shè)計(jì)人員在可靠的拱壩優(yōu)化理論指導(dǎo)下，采用了“拱壩體形優(yōu)化程序（ADASO）”進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，拱壩體形優(yōu)化過程僅需要一個(gè)星期，為短時(shí)間內(nèi)完成拱壩體形優(yōu)化探索出一條新路。

4 壩體應(yīng)力分析

拱壩應(yīng)力計(jì)算采用拱梁分載法作為基本方法，同時(shí)采用有限元法進(jìn)行復(fù)核，動(dòng)力情況下應(yīng)力分析采用反應(yīng)普法。

在靜力情況下，分載法程序計(jì)算的壩體最大主拉、主壓應(yīng)力均由基本組合控制，最大主拉應(yīng)力為0.64 MPa（死水位溫升，下游面），最大主壓應(yīng)力為4.08 MPa（正常溫降，上游面），均滿足規(guī)范要求，且有較大富裕度。有限元法計(jì)算的壩體應(yīng)力分布趨勢(shì)與分載法基本一致，只是應(yīng)力數(shù)值稍大一些，主要是由于有限元計(jì)算的角緣應(yīng)力集中影響。

設(shè)計(jì)地震情況下，拱梁分載法分析結(jié)果表明，按大壩混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，上、下游壩面高拉應(yīng)力區(qū)均不同程度超出了現(xiàn)行抗震規(guī)范承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求，但范圍不大?？紤]實(shí)際混凝土的超強(qiáng)、后期強(qiáng)度及配置抗震鋼筋3個(gè)有利因素，在強(qiáng)震下壩體強(qiáng)度是有一定保障的。

在強(qiáng)震下考慮拱壩橫縫張開及無限地基輻射阻尼的綜合影響后，大壩的靜動(dòng)綜合應(yīng)力大幅度降低，除了應(yīng)力集中區(qū)域外均可滿足要求。同時(shí)，經(jīng)地質(zhì)力學(xué)模型三維有限元壩體應(yīng)力分析復(fù)核，基本給出了相同的趨勢(shì)和結(jié)論。

5 壩肩抗滑穩(wěn)定分析

壩址區(qū)出露的地層，主要為寒武系的片麻巖和第四系松散堆積層。拱壩基礎(chǔ)的地質(zhì)條件復(fù)雜，基礎(chǔ)分布有規(guī)模不等的斷層，基巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，構(gòu)成底滑面和側(cè)滑面的裂隙隨機(jī)散布，壩肩三維典型滑塊形式多樣，抗滑穩(wěn)定分析難度較大。

通過對(duì)兩岸壩肩共105塊可能滑移塊體逐一進(jìn)行分析計(jì)算得知，右岸以F37斷層為側(cè)滑面的典型滑塊6號(hào)控制壩肩抗滑穩(wěn)定，基本組合1（正常溫降）的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為3.64＞3.50，滿足抗滑穩(wěn)定要求；偶然組合8（正常溫降+設(shè)計(jì)地震）的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為1.46＞1.31（分項(xiàng)系數(shù)法），滿足抗震要求。同時(shí)，經(jīng)地質(zhì)力學(xué)模型三維有限元超載極限能力分析可知，靜力情況下，拱壩及壩肩整體超載系數(shù)為4.2；動(dòng)力情況下，整體超載加速度為0.71 g，約是設(shè)計(jì)地震加速度0.36 g的2倍，大壩具有較強(qiáng)的超載能力。

6 結(jié)語

1）龍江拱壩是采用“拱壩體形優(yōu)化程序”由計(jì)算機(jī)輔助選定的，拱壩體形優(yōu)化過程耗時(shí)較短，體形優(yōu)化節(jié)省了工程量，促進(jìn)了拱壩設(shè)計(jì)的革新。

2）龍江壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，壩肩抗滑穩(wěn)定是拱壩設(shè)計(jì)的重中之重，通過大量的分析工作可知，靜力、動(dòng)力情況下壩肩抗滑是穩(wěn)定的，大壩是安全的。

4）龍江拱壩是目前國(guó)內(nèi)高震區(qū)第一座橢圓雙曲拱壩，對(duì)推動(dòng)我國(guó)橢圓拱壩的發(fā)展具有十分重要的意義。

3）龍江拱壩已蓄水一年多，大壩經(jīng)歷了長(zhǎng)期高水位的運(yùn)行，同時(shí)也經(jīng)歷了5年一遇洪水的考驗(yàn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果分析，目前大壩運(yùn)行安全、正常。