張建華 王 棟

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

洞河水庫位于漢江北岸支流月河一級(jí)支流洞河下游河段，是一座以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合效益的Ⅲ等中型水庫。水庫樞紐工程由攔河壩、泄洪表孔、泄洪底孔、引水洞、電站廠房和變電站等建筑物組成。

水庫總庫容4627萬m3，調(diào)節(jié)庫容為3256萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積3.5萬畝，并向灌區(qū)四鎮(zhèn)一鄉(xiāng)11萬人口及漢陰縣工業(yè)園區(qū)年供水量2032萬m3，電站裝機(jī)容量3430kW，年發(fā)電量797.52萬kW·h。

本文針對(duì)夏家溝壩址的地形、地質(zhì)條件，并結(jié)合工程施工條件和當(dāng)?shù)夭牧戏植?、?chǔ)量情況，初步選定碾壓混凝土拱壩作為研究壩型。

2 拱壩布置和體型設(shè)計(jì)

2.1 建基面擬定原則

根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003），對(duì)于拱壩地基巖體主要要求如下：①具有整體性和抗滑穩(wěn)定性；②具有足夠的強(qiáng)度和剛度；③具有抗?jié)B性、滲透穩(wěn)定性和有利的滲流場(chǎng)；④具有在水長(zhǎng)期作用下的耐久性；⑤控制地基接觸面形狀對(duì)壩體應(yīng)力分布的不利影響；并要求建基面一般選擇新鮮、微風(fēng)化或弱風(fēng)化中下部的基巖。

依據(jù)壩基應(yīng)力、壩肩巖體風(fēng)化分級(jí)和卸荷裂隙帶的發(fā)育情況，洞河拱壩壩體在332.0m～388.0m，高程建基于弱風(fēng)化下限～微風(fēng)化巖體；在大壩上部388.0m～397.5m高程范圍利用弱風(fēng)化巖體。

2.2 體形設(shè)計(jì)原則

①壩體具有較大的整體剛度，以提高拱壩的整體安全度；避免拱壩周邊突變，減少壩基局部應(yīng)力集中；

②在滿足壩體強(qiáng)度要求的前提下，力求壩體應(yīng)力、位移狀態(tài)良好，并盡量采用扁平拱布置，使拱推力轉(zhuǎn)向山體內(nèi)部，改善壩肩穩(wěn)定條件；

③控制上游倒懸，改善施工期應(yīng)力條件盡量使壩體體形簡(jiǎn)單，便于施工；

④在各種計(jì)算工況下，壩體均有較好的應(yīng)力、變形狀況，大壩的應(yīng)力、變形變化幅度合理。

2.3 拱壩推薦體形

拱壩壩頂高程為397.5m，壩底高程332.0m，最大壩高65.5m，壩頂寬6.5m，拱冠壩底厚15.645m，各高程拱圈從拱冠至拱端逐漸變厚；壩頂上游弧長(zhǎng)264.473m，最大中心角91.36°，位于378.5m高程；最小中心角61.21°，位于332.0m高程。拱圈中心軸線在拱冠處最大曲率半徑在左岸為121.328m，在右岸為114.476m，最小曲率半徑在左岸為61.747m，在右岸為54.203m；大壩寬高比3.47，厚高比0.24，上游面最大倒懸度0.25，下游面最大倒懸度0.20。大壩控制高程幾何參數(shù)見表2-1，拱壩體型模型見圖2-1。

表2-1 大壩控制高程幾何參數(shù)表

圖2-1 拱壩體型模型

表3-1 封拱溫度表

表3-2 溫度荷載表 單位：℃

表3-3 壩基材料參數(shù)

圖3-1 校核洪水位+溫升工況下，下游面主應(yīng)力等值線圖（出現(xiàn)主壓應(yīng)力最大值3.46MPa）

3 應(yīng)力分析

3.1 主要設(shè)計(jì)荷載

（1）水、沙荷載

正常蓄水位：上游391.00m，下游無水；

設(shè)計(jì)洪水位：上游394.53m，下游343.97m；

校核洪水位：上游396.67m，下游345.39m；

死水位：上游358.50m，下游無水；

淤沙高程：353.24m；浮容重：8.0KN/m3；內(nèi)摩擦角：14.0°。

（2）混凝土材料

采用C20碾壓混凝土，并利用其90天齡期的后期強(qiáng)度。

彈性模量：20GPa；泊松比：0.167；

導(dǎo)溫系數(shù)：3m2/月。

（3）溫度荷載參數(shù)

多年平均溫度：15.1℃；

多年平均最低月（1月）氣溫：3.15℃；

多年平均最高月（7月）氣溫：26.29℃；

日照對(duì)年平均氣溫的影響：2.0℃；

日照對(duì)氣溫年變幅的影響：1.0℃

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)所要施工項(xiàng)目的完整、具體的意圖表達(dá)，是控制建筑造價(jià)成本的重要手段。對(duì)建筑造價(jià)成本的控制貫穿于工程項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)以及實(shí)際施工全過程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠保證整個(gè)建筑設(shè)計(jì)施工過程的經(jīng)濟(jì)性與安全性，從而達(dá)到控制工程造價(jià)的目的。根據(jù)相關(guān)資料表明，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)造價(jià)成本的影響力，約占40～70%，因此，做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作對(duì)控制造價(jià)成本有著重要作用[2]。

溫度荷載產(chǎn)生的應(yīng)力在拱壩的應(yīng)力中占很大比重，在綜合考慮了溫控冷卻措施、封拱灌漿時(shí)間及相應(yīng)月平均氣溫等因素后確定的封拱溫度如下表3-1。

溫度荷載采用《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003）中推薦的方法計(jì)算，計(jì)算得出拱冠梁剖面各個(gè)設(shè)計(jì)高程的平均溫度Tm和等效溫差Td（下游面減去上游面），具體參數(shù)見表3-2。

（4）地震荷載

洞河水庫工程區(qū)場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，工程設(shè)防烈度為Ⅵ度。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97），設(shè)計(jì)烈度為Ⅵ度時(shí)，可不進(jìn)行抗震計(jì)算，故本次計(jì)算中未考慮地震荷載。

3.2 壩基材料參數(shù)

洞河拱壩建基面巖體為堅(jiān)硬的Za1層綠簾片巖，根據(jù)地質(zhì)工作提供的各類巖體力學(xué)指標(biāo)，經(jīng)過分析后，確定壩基各高程綜合變形模量和相應(yīng)泊松比見下表3-3。

3.3 計(jì)算組合

根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003），本階段拱壩的應(yīng)力分析計(jì)算選取以下荷載組合：

基本組合1：正常蓄水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚(yáng)壓力＋自重＋溫降；

圖3-2 正常蓄水位+溫降工況下，上游面主應(yīng)力等值線圖（出現(xiàn)主拉應(yīng)力最大值-1.2MPa）

表3-4 拱梁分載法壩體應(yīng)力計(jì)算匯總表 單位：（MPa）

表4-1 各工況最大徑向位移 單位：cm

圖4-1 正常蓄水位+溫降工況下，徑向位移圖

基本組合2：正常蓄水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚(yáng)壓力＋自重＋溫升；

基本組合3：設(shè)計(jì)洪水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚(yáng)壓力＋自重＋溫升；

基本組合4：死水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚(yáng)壓力＋自重＋溫升；

特殊組合1：校核洪水位下的靜水壓力＋泥沙壓力＋揚(yáng)壓力＋自重＋溫升；

3.4 拱壩體形分析

采用拱梁分載法對(duì)壩體的應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算，將整個(gè)壩體分為7拱15梁。計(jì)算采用中國(guó)水科院結(jié)構(gòu)所《拱壩體形優(yōu)化程序ADASO》進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算荷載包括上、下游水壓力、揚(yáng)壓力、淤沙壓力、壩體自重和溫度荷載。

洞河水庫碾壓混凝土拱壩為3級(jí)建筑物，依據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003），3級(jí)拱壩的混凝土抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)對(duì)于基本組合采用3.5，對(duì)于非地震情況特殊組合采用3.0。因此壩體應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

①基本組合：主壓應(yīng)力不大于5.0MPa；主拉應(yīng)力不大于1.20MPa；

②特殊組合（非地震工況）：主壓應(yīng)力不大于6.7MPa；主拉應(yīng)力不大于1.50MPa；

3.5 計(jì)算結(jié)果

拱梁分載法拋物線拱壩壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算匯總表見表3-4。其中壩體最大主壓應(yīng)力為3.46MPa，見圖3-1；最大主拉應(yīng)力為-1 2MPa，見圖 3-2。

4 拱壩徑向位移計(jì)算

拋物線拱壩各工況最大徑向位移見表4-1，其中徑向位移最大值為2.39cm，發(fā)生在397.5m高程，正常+溫降工況，見圖4-1。

5 結(jié)論

本文扼要地論述了洞河拱壩體型設(shè)計(jì)，并采用拱梁分載法對(duì)洞河水庫碾壓混凝土拱壩進(jìn)行了五種工況的計(jì)算分析，結(jié)果表明，在大部分區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力梯度差別較小，應(yīng)力分布規(guī)律合理，在控制工況下最大主拉應(yīng)力值、最大主壓應(yīng)力值也均滿足規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力控制要求。說明大壩體型設(shè)計(jì)基本合理，此體型參數(shù)經(jīng)上級(jí)主管部門審查，認(rèn)為合理可行，將作為本工程最終采用體型。陜西水利

[1]薛龍可，周秋景，楊波．三河口拱壩初設(shè)體型 合 理 性 分 析 [J]．ISSN 1672-3031 CN 11-5020/TV． 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)．2013（04）．

[2]混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL282-2003）[S]．中國(guó)水利水電出版社．2003年6月1日．

[3]朱伯芳，高季章，陳祖煜．拱壩設(shè)計(jì)與研究[M]．ISBN 9787508411767．北京:水利水電出版社．2002年12月1日．

[4]李瓚，陳新華，鄭建波，王廣倫．混凝土拱壩設(shè)計(jì)[M]．ISBN 9787508302171．北京:中國(guó)電力出版社．2000年9月1日．