楊志華

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西　南昌　330029)

山口巖碾壓混凝土拱壩體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊志華

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西南昌330029)

摘要：山口巖拱壩是江西省境內(nèi)第一座碾壓混凝土拱壩，施工圖設(shè)計(jì)階段根據(jù)地形、地質(zhì)情況，結(jié)合壩體材料性質(zhì)，對(duì)拱壩體型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，由原設(shè)計(jì)的圓弧型單曲拱壩優(yōu)化為拋物線型雙曲拱壩，壩體混凝土量減少了3.8萬m3，取得了較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。圖2幅，表2個(gè)。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土拱壩；體型優(yōu)化；設(shè)計(jì)

1工程概況

山口巖水利樞紐工程位于江西省萍鄉(xiāng)市蘆溪縣境內(nèi)，贛江支流袁水上游，壩址以上控制集雨面積230 km2，水庫正常蓄水位244.00 m(黃海高程，下同)，設(shè)計(jì)洪水位(P=0.2%)246.20 m，校核洪水位(P=0.05%)246.72 m，死水位221.0 m。水庫總庫容為1.052×108 m3，電站裝機(jī)容量12 MW，是1座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合效益的大(2)型水利樞紐工程，主要建筑物有碾壓混凝土拱壩、表孔溢流堰、壩身放空孔、引水隧洞及發(fā)電廠房等。

壩址區(qū)處于構(gòu)造侵蝕中、低山地貌單元，壩肩兩岸山體雄厚，山頂高程大于400 m，山頂呈尖棱狀。左右兩岸山坡坡角一般為35°～40°，河谷狹窄，兩岸較對(duì)稱，巖層走向與河流方向近乎垂直，為橫向“V”型河谷。壩址區(qū)主要分布有震旦系松山群老虎塘組(Zsn)淺變質(zhì)巖系、石炭系下統(tǒng)大塘組測(cè)水段(C1d2)碎屑巖系及第四系(Q)松散堆積物，壩基巖體為石炭系下統(tǒng)大塘組測(cè)水段沉積碎屑巖系，巖性由礫巖、石英砂巖、細(xì)砂巖、炭質(zhì)(或含炭)粉砂巖和長石石英砂巖等組成。

2設(shè)計(jì)原則、方法及應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1拱壩體型優(yōu)化設(shè)計(jì)原則與方法

拱壩體型優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，即以目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和約束條件出發(fā)建立拱壩體型優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型；影響拱壩工程造價(jià)的主要因素是大壩的混凝土方量，所以大壩體型優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)選取為壩體體積。體型優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量包括拱冠梁上游面曲線、拱冠梁下游面曲線、拱冠厚度、拱端厚度、曲率半徑等，約束函數(shù)包括壩體應(yīng)力、倒懸度、中心角、保凸等，約束函數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范及碾壓混凝土施工要求。編制程序運(yùn)用罰函數(shù)法及序列二次規(guī)劃法，求解目標(biāo)函數(shù)的極值點(diǎn)。

2.2壩體應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

山口巖拱壩屬2級(jí)建筑物，且為高拱壩，我國現(xiàn)行《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282—2003)規(guī)定，采用拱梁分載法計(jì)算時(shí)壩體應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)為：2級(jí)拱壩在基本荷載組合下容許拉應(yīng)力不得大于1.2 MPa，對(duì)于非地震情況特殊荷載組合，容許拉應(yīng)力不得大于1.5 MPa；2級(jí)拱壩在基本荷載組合下容許壓應(yīng)力安全系數(shù)為4.0，對(duì)于非地震情況的特殊荷載組合，容許壓應(yīng)力安全系數(shù)為3.5。壩體混凝土主要采用三級(jí)配R90200碾壓混凝土，容許壓應(yīng)力在基本荷載組合時(shí)為5.0 MPa，在特殊荷載合時(shí)為5.7 MPa。

3設(shè)計(jì)過程

3.1主要計(jì)算參數(shù)

大壩主體混凝土材料為R90200三級(jí)配碾壓混凝土，上游面防滲體為R90200二級(jí)配碾壓混凝土；大壩壩基(肩)巖性以石英砂巖、碳質(zhì)粉砂巖為主，呈弱風(fēng)化—微新狀，屬中硬—堅(jiān)硬巖；壩址多年平均氣溫為17.3 ℃，極端最高氣溫40.1 ℃，極端最低氣溫-9.3 ℃。主要計(jì)算參數(shù)如下：

壩體：容重γ=23.5 kN/m3，彈性模量E砼=20.0 GPa，泊松比μ砼=0.175，線脹系數(shù)α砼=1.00×10-5/℃，導(dǎo)溫系數(shù)為3.6 m2/月

基巖：壩肩175 m以上主要為石英砂巖，變形模量E肩=8.3 GPa，泊松比μ肩=0.3。

壩肩175 m以下及壩基主要為碳質(zhì)粉砂巖，變形模量E基=6.0 GPa，泊松比μ基=0.28。

3.2計(jì)算工況及荷載組合

拱壩體型優(yōu)化時(shí)考慮的主要計(jì)算工況及荷載組合如下所示：

工況Ⅰ：水庫正常蓄水位+相應(yīng)下游水位(無水)+設(shè)計(jì)正常溫降+泥沙壓力(淤沙高程187.0 m，下同)+壩體自重。

工況Ⅱ：水庫設(shè)計(jì)洪水位+相應(yīng)下游水位(167.61 m)+設(shè)計(jì)正常溫升+泥沙壓力+壩體自重。

工況Ⅲ：水庫死水位+相應(yīng)下游水位(無水)+設(shè)計(jì)正常溫升+泥沙壓力+壩體自重。

工況Ⅳ：水庫校核洪水位+相應(yīng)下游水位(168.27 m)+設(shè)計(jì)正常溫升+泥沙壓力+壩體自重。

3.3體型優(yōu)化

山口巖碾壓混凝土拱壩初步設(shè)計(jì)階段推薦方案為單曲拱壩，壩頂高程為247.6 m，壩基最低開挖底高程148.50 m，最大壩高99.1 m；壩底最大寬度32 m，厚高比0.323，壩頂寬度6.0 m，壩軸線圓弧半徑150.0 m，最大中心角109.98°；壩頂長度為287.94 m，壩體混凝土方量為30.9×104m3。施工圖設(shè)計(jì)階段根據(jù)地形、地質(zhì)情況，結(jié)合壩體材料性質(zhì)，對(duì)拱冠梁曲線、拱冠及拱端的厚度、曲率半徑等設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的拱壩體型為拋物線雙曲拱壩，壩頂高程為247.6 m，壩基最低開挖底高程為148.50 m，最大壩高99.1 m，壩底最大寬度30 m，厚高比0.303；壩頂寬度5.0m，最大中心角77.71°；壩頂長度為268.23 m，壩體混凝土方量為27.1×104m3(見圖1、圖2，表1、表2)。

圖1　優(yōu)化前拱冠梁剖面

圖2　優(yōu)化后拱冠梁剖面

表2　拋物線雙曲體型與圓弧單曲體型上下游壩面應(yīng)力對(duì)比　MPa

注：壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)

由表1、表2可以看出，在壩體應(yīng)力滿足《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282—2003)規(guī)定的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下，山口巖拱壩優(yōu)化后體型參數(shù)與優(yōu)化前體型比較均有一定幅度的降低，施工圖設(shè)計(jì)階段優(yōu)化后的拋物線雙曲拱壩混凝土量較初步設(shè)計(jì)階段推薦方案的單曲拱壩減少3.8萬m3(約12.3%)，取得了較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益；且優(yōu)化后雙曲拱壩壩體的應(yīng)力狀態(tài)較初設(shè)單曲拱壩有了進(jìn)一步的改善。

4結(jié)語

山口巖碾壓混凝土拱壩初步設(shè)計(jì)階段為圓弧單曲拱壩，施工圖設(shè)計(jì)階段根據(jù)地形、地質(zhì)情況對(duì)壩體體型進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后大壩體型為拋物線型雙曲拱壩，壩體混凝土量減少了3.8萬m3，取得了較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)也可為類似工程提供借鑒與參考。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張國新，劉玉，楊波，等．山口巖水利樞紐工程碾壓混凝土拱壩三維應(yīng)力變形有限元分析報(bào)告[R]． 北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2006．

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責(zé)任編輯吳昊

收稿日期：2016-02-29

作者簡介：楊志華(1978-)，男，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。