程曉鳴 胡彬彬

大壩口水庫改擴(kuò)建工程地處陰山山脈狼山中段前緣的大壩溝溝口，位于烏拉特后旗巴音寶力格鎮(zhèn)以西5 km處，是內(nèi)蒙古西北地區(qū)狼山水系防洪工程治理的重點(diǎn)工程。為以防洪為主、結(jié)合供水任務(wù)的中型水庫。水庫的運(yùn)行方式采用“蓄洪運(yùn)用”。

工程區(qū)累年最冷月1月平均氣溫為-14.1℃，低于-10℃，按照SL 211—2006《水工建筑物抗凍設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，屬于嚴(yán)寒地區(qū)，最熱月7月平均氣溫為22.2℃。最高氣溫37℃，最低氣溫-34.4℃。

大壩口水庫改擴(kuò)建工程位于大壩溝溝口附近，該溝谷段長約300 m，溝谷寬25～40 m，為基本對稱的“V”形谷。溝谷呈西北—東南向分布，兩岸岸坡較陡峻，相對高差80～130 m。植被稀少，基巖裸露。工程區(qū)地層主要為元古界狼山群變質(zhì)巖（PtL）、新生界第四系（Q）及燕山早期花崗巖。工程區(qū)位于狼山復(fù)背斜的南翼，局部小褶曲發(fā)育。巖體片理走向NE60～80°，傾向NW，局部傾向SE，傾角60～75°。其主體構(gòu)造線方向?yàn)镹E，與狼山山鏈走向大體一致。主要構(gòu)造形跡為擠壓破碎帶及裂隙。工程區(qū)地下水類型主要為第四系松散堆積物孔隙潛水和基巖裂隙水；工程區(qū)巖體中緩傾角結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，且未發(fā)現(xiàn)大的順河向結(jié)構(gòu)面，兩岸發(fā)育的擠壓破碎帶規(guī)模小，性狀較好，壩基、壩肩巖體抗滑穩(wěn)定性較好。根據(jù)GB 18306—2001 1/400萬《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，按50年超越概率10%，一般場地類型的設(shè)防水準(zhǔn)，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，反映譜特征周期為0.35 s，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度。

1 拱壩布置

1.1 布置原則

拱壩是一個(gè)三邊嵌固在巖基上，一邊自由的變曲率、變厚度的高次超靜定的空間殼體結(jié)構(gòu)。在外荷載作用下，一部分通過梁的作用傳到河床基巖，一部分通過拱的作用傳到兩岸壩肩基巖。當(dāng)河谷狹窄時(shí)，一般壩頂弦高比L/H＜3.5時(shí)，以拱的作用為主。由于拱是一種推力結(jié)構(gòu)，因此，壩體應(yīng)力狀態(tài)以受壓為主，從而可以充分發(fā)揮混凝土、砌石類材料抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以將壩體做的較薄，以達(dá)到節(jié)約材料的目的。在壩址、壩高條件相同的情況下，重力壩體積是拱壩的1.5～5倍，大壩口水庫改擴(kuò)建工程雙曲拱壩也做了比較，為3～4倍。

拱壩壩體一般較薄，在荷載方面，與重力壩相比，揚(yáng)壓力對應(yīng)力的影響減小，而溫度荷載成為主要荷載之一，地基變形成為影響壩體應(yīng)力的重要因素。拱壩是一種高次超靜定的空間殼體，一般以拱向作用為主。當(dāng)局部超載時(shí)，壩體應(yīng)力可以自行調(diào)整，只要壩肩穩(wěn)定滿足要求，壩體的安全度一般較高。拱壩是一種經(jīng)濟(jì)性和安全性都比較優(yōu)越的壩型。

（1）根據(jù)壩址區(qū)的地質(zhì)、地形條件以及工程任務(wù)、運(yùn)用要求，合理選擇壩軸線。

（2）建基面應(yīng)盡量規(guī)則，避免周邊突變，以減少壩基局部應(yīng)力集中。拱端應(yīng)嵌入開挖后的堅(jiān)實(shí)基巖內(nèi)，拱端與基巖的接觸面原則上應(yīng)做到全徑向的，以使拱端推力接近垂直于拱座面。

（3）拱壩體形應(yīng)盡量對稱設(shè)計(jì)，同時(shí)確保壩體上、下游面為連續(xù)、光滑的曲面，在充分發(fā)揮壩體材料強(qiáng)度的前提下，不出現(xiàn)不利的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)變條件良好。

（4）控制上游面倒懸度小于0.3∶1，從而改善施工期應(yīng)力條件，使結(jié)構(gòu)體形簡單，便于施工，利于抗震。

（5）結(jié)合壩體建基面的物理力學(xué)參數(shù)，綜合比選確定壩體材料，以使大壩具有較強(qiáng)的適應(yīng)基礎(chǔ)變形模量的能力，同時(shí)在各工況下，使壩體的應(yīng)力滿足規(guī)范要求，應(yīng)變幅度合理。

（6）拱軸線與基巖等高線在拱端處的夾角不小于30°，并使兩端夾角大致相等，充分利用兩岸壩肩雄厚山體的有利條件，確保拱座的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

（7）在滿足上述要求的前提下，反復(fù)調(diào)整壩體布置以盡量減小壩體體積，降低工程投資。

大壩口水庫改擴(kuò)建工程雙曲拱壩布置的基本原則是：基巖面、壩面變化平順，無突變或反復(fù)彎曲，壩面倒懸度、壩體應(yīng)力及壩肩穩(wěn)定、沿建基面（或淺層潛在軟弱結(jié)構(gòu)面）穩(wěn)定滿足要求，應(yīng)變值在合理范圍內(nèi)，同時(shí)，盡量做到工程量及造價(jià)最省。

1.2 拱壩建筑物布置

大壩口水庫改擴(kuò)建工程壩體材料采用細(xì)石混凝土砌塊石，主要建筑物包括擋水建筑物、泄洪建筑物、排沙建筑物、取水建筑物等。

擋水建筑物采用變圓心變半徑的雙曲拱壩，左、右半拱采用非對稱形式。河床部位拱壩建基面高程定為1 071.00 m，拱壩壩基利用巖面要求開挖至新鮮弱風(fēng)化下限-微風(fēng)化的基巖。壩頂高程為1 122.60 m，最大壩高為51.6 m。拱壩頂拱外半徑為110.00 m，中心角為105.51°，壩頂軸線長度202.57 m。壩頂厚度4.0 m，不計(jì)防滲面板的壩體底部厚度15.0 m。弦高比3.393，弧高比3.924，壩頂厚度為4.0 m，壩底厚度15.0 m，厚高比0.29。

y=0.141 439 2x1.85泄水建筑物采用開敞式溢流表孔，溢流堰頂設(shè)置在防洪高水位1 115.33 m高程，堰頂凈寬度70 m，共設(shè)7孔，居中對稱布置，單孔凈寬10 m。出口采用挑流消能。沖沙底孔設(shè)置在高程1 090.0 m，設(shè)置2孔，單孔尺寸為4 m×3.4 m（寬×高），用于汛期洪水來臨聯(lián)合沖沙泄洪。溢流堰堰面曲線采用冪曲線形式，定型設(shè)計(jì)水頭Hd取0.75倍的上下游最大水位差。采用倒懸堰頂，上游面直立，堰面曲線為：y=0.141439 2x1.85，堰頂上游曲線采用圓弧相接，溢流堰下游接反弧段，反弧半徑10.0 m。出口采用挑流消能，挑流鼻坎頂高程1 112.53 m，挑射角15°。溢流堰壩后懸臂長度5 m。鼻坎反弧的最低點(diǎn)設(shè)置排水管將積水排往下游，避免結(jié)冰。溢流段設(shè)壩頂交通橋，連接兩岸交通。在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位下，溢流表孔的下泄流量分別為472.49 m3/s和1 874.83 m3/s，單寬流量分別為6.75 m3/（s·m）和26.78 m3/（s·m）。

排沙建筑物位于壩體中下部，由于水庫含沙量高，底孔流速較大，為了減輕含沙水流對底孔的沖刷，采用鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在上游側(cè)設(shè)1扇檢修閘門，閘門尺寸10.4 m×4.4 m（寬×高）。檢修閘門檢修平臺設(shè)在高程1 122.60 m，與壩頂齊平，和壩頂交通相連接，檢修閘門不用時(shí)鎖在檢修平臺上。在下游側(cè)設(shè)2扇工作閘門，每扇閘門尺寸4 m×3.4 m（寬×高），工作閘門啟閉機(jī)平臺設(shè)置在下游墩墻上，平臺高程1 100.10 m，上面設(shè)置啟閉機(jī)房，在壩后高程1 100.10 m設(shè)置壩后廊道與壩頂連接。在正常蓄水位1 109.5 m、防洪高水位1 115.33 m和校核洪水位1 121.22 m下，沖沙底孔的泄流量分別為463.93、586.3、612.34 m3/s，單寬流量分別為57.99、73.29、76.54 m3/（s·m）。

取水建筑物位于大壩左岸，根據(jù)水庫淤積年限對應(yīng)的淤積高程以及水庫分期死水位，采用4層分層取水方式，閘閥室設(shè)在壩后。引水規(guī)模為0.1 m3/s，最大年引水量為315萬m3。

2 拱壩應(yīng)力、應(yīng)變分析

2.1 荷載及其組合

大壩口水庫改擴(kuò)建工程雙曲拱壩荷載主要包括溫度荷載、自重、水壓力、浪壓力、泥沙壓力、揚(yáng)壓力、冰壓力、地震（0.15g）等。荷載組合采用SL 25—2006《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.2.2-2砌石拱壩荷載組合。

2.2 拱梁分載法

壩體采用8拱17梁。各拱圈高程依次為：1 122.60、1 115.33、1 108.60、1 102.00、1 095.40、1 088.80、1 082.20、1 075.60、1 072.00 m?；窘M合工況計(jì)算成果見表1。

表1 基本組合工況計(jì)算成果表

特殊組合工況計(jì)算成果見表2。

表2 特殊組合工況計(jì)算成果表

根據(jù)表中所列計(jì)算成果，在基本及特殊荷載組合情況下，壩體最大主壓應(yīng)力為3.39 MPa，位于1 072.0 m高程拱冠處下游壩面；壩體最大主拉應(yīng)力為1.34 MPa，位于1 072.0 m高程拱冠處上游壩面。壩體最大拉、壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

2.3 有限元法

有限元法計(jì)算分析采用《ANSYS》結(jié)構(gòu)軟件，計(jì)算單元采用八結(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元、接觸單元及質(zhì)量元，壩體、圍巖均按彈塑性計(jì)算。計(jì)算模型單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示。

圖1 計(jì)算模型單元?jiǎng)澐謭D

基本、特殊組合工況計(jì)算成果見表3、4。

表3 基本組合工況計(jì)算成果表

表4 特殊組合工況計(jì)算成果表

從表中計(jì)算結(jié)果看出，壩體最大主拉、壓應(yīng)力在規(guī)范允許值范圍內(nèi)。根據(jù)工程類比，位移值是合理的。

3 穩(wěn)定分析

3.1 剛體極限平衡法

根據(jù)項(xiàng)目前期地勘及施工期地質(zhì)編錄成果，左、右壩肩巖體中緩傾角結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，亦未發(fā)現(xiàn)大的順河向結(jié)構(gòu)面，兩岸發(fā)育的擠壓破碎帶規(guī)模小，性狀較好。

根據(jù)SL 25—2006《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，穩(wěn)定應(yīng)按空間問題處理，但本工程壩肩地質(zhì)條件簡單，無復(fù)雜滑裂面，所以，拱座抗滑穩(wěn)定采用剛體極限平衡法，按照抗剪公式平面分層累計(jì)計(jì)算，若某層安全系數(shù)不滿足要求時(shí)，則采取一定工程措施，再按平面分層核算該層穩(wěn)定，直至滿足要求。

經(jīng)分析計(jì)算，基本組合（設(shè)計(jì)洪水位+溫升）工況，壩肩最小安全系數(shù)為1.38，位于高程1 082.20 m拱圈，大于允許值1.3，滿足要求；特殊組合（正常蓄水位+地震+溫降）工況，壩肩最小安全系數(shù)為1.18，位于高程1 082.20 m拱圈，大于允許值1.0，滿足要求。

3.2 有限元法

大壩口水庫改擴(kuò)建工程雙曲拱壩同時(shí)采用了有限元法對壩肩穩(wěn)定以及壩基穩(wěn)定進(jìn)行了核算，基本組合壩體與建基面抗剪安全系數(shù)最小值1.31，抗剪斷安全系數(shù)最小值3.08，均出現(xiàn)在正常蓄水位+溫降工況；特殊組合不考慮地震（校核洪水位+溫升工況）壩體與建基面抗剪安全系數(shù)最小值1.44，抗剪斷安全系數(shù)最小值2.83；特殊組合考慮地震壩體與建基面抗剪安全系數(shù)最小值1.08，抗剪斷安全系數(shù)最小值2.24，均出現(xiàn)在正常蓄水位+地震+溫降工況。各工況壩體與建基面安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

在各工況中，拱座安全系數(shù)均為右岸大于左岸?；窘M合巖體抗剪安全系數(shù)最小值1.47，抗剪斷安全系數(shù)最小值5.99，均出現(xiàn)在正常蓄水位+溫降工況；特殊組合不考慮地震（校核洪水位+溫升工況）巖體抗剪安全系數(shù)最小值1.57，抗剪斷安全系數(shù)最小值6.27；特殊組合考慮地震巖體抗剪安全系數(shù)最小值1.12，抗剪斷安全系數(shù)最小值5.72，均出現(xiàn)在正常蓄水位+地震+溫降工況。各工況拱座安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 施工期溫控溫度、應(yīng)力、穩(wěn)定數(shù)值模擬分析

水工建筑物一般體積都較為龐大，施工期澆筑的混凝土內(nèi)部溫升值很高，大壩口水庫改擴(kuò)建工程雙曲拱壩位于累年最冷月1月平均氣溫為-14.1℃，低于-10℃地區(qū)，屬于嚴(yán)寒地區(qū)，最熱月7月平均氣溫為22.2℃，氣溫年變幅大，壩體澆筑內(nèi)部溫升較大。研究目的是為如何采取正確的施工期溫控措施，為施工期預(yù)防壩體產(chǎn)生裂縫提供重要的理論依據(jù)。同時(shí)，對工程總進(jìn)度安排也具有重要的指導(dǎo)作用。

雙曲拱壩除平面體形為曲線外，豎直方向體形宜為倒懸曲線，大壩口水庫改擴(kuò)建工程施工期采用壩體預(yù)留缺口導(dǎo)流。結(jié)合拱壩橫縫設(shè)置，在壩體砌筑至高程1 106.0 m，采用壩體度汛，攔蓄庫容243.36萬m3，工程壩體度汛設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇，由壩體預(yù)留缺口和排沙底孔聯(lián)合泄洪。施工導(dǎo)流流量為1 080 m3/s。

數(shù)值模擬分析研究拱壩施工期溫控溫度、應(yīng)力、穩(wěn)定是否滿足規(guī)范要求，尤為重要，對雙曲拱壩壩體和巖體進(jìn)行整體三維有限元計(jì)算分析。根據(jù)數(shù)值模擬分析研究成果，大壩口水庫改擴(kuò)建工程雙曲拱壩在施工期間，壩體施工夏季不需要降溫，冬季需要采取保溫措施。推薦的聚苯乙烯板保溫措施經(jīng)建設(shè)單位審查并采用，壩體質(zhì)量滿足施工期越冬要求。

5 封拱溫度場優(yōu)化研究

在雙曲拱壩壩體體形、尺寸等參數(shù)已確定的情況下，溫度荷載作為拱壩的一個(gè)主要荷載，對壩體的應(yīng)力、穩(wěn)定及變形有較大的影響。大氣溫度高低是由外界條件確定的，但溫度荷載的大小可以通過人為確定封拱溫度場來改變。拱壩的最優(yōu)封拱溫度場，尤其是對位于嚴(yán)寒地區(qū)的拱壩來說，不僅可以消除溫度荷載帶來的不利影響，而且可以達(dá)到預(yù)應(yīng)力的效果。如何確定最優(yōu)封拱溫度場，使其對拱壩應(yīng)力、應(yīng)變、穩(wěn)定盡可能的有利，以提高拱壩的安全度是拱壩設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。利用編制多目標(biāo)非線性規(guī)劃及線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定、溫控措施費(fèi)用等評價(jià)指標(biāo)體系，得到最優(yōu)封拱溫度場多目標(biāo)非線性規(guī)劃結(jié)果，進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算來解決這個(gè)問題。從而尋求對拱壩應(yīng)力、應(yīng)變、穩(wěn)定及溫控措施費(fèi)用等綜合最優(yōu)的拱壩的體形和封拱溫度場。

研究采用《ANSYS》結(jié)構(gòu)分析軟件，來模擬拱壩的穩(wěn)定溫度場，用瞬態(tài)熱分析準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場，確定壩體各點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度，得到整個(gè)壩體的溫度場。壩體網(wǎng)格剖分如圖2所示。

根據(jù)對各方案應(yīng)力和安全系數(shù)的計(jì)算分析、比較，從應(yīng)力的減小幅度、安全系數(shù)提高的幅度綜合比較來看，封拱溫度為5℃是最為合理和優(yōu)化的。規(guī)范規(guī)定的不低于5℃的條件下封拱，在各方案優(yōu)化后，以5℃封拱溫度為最優(yōu)。

6 結(jié)語

內(nèi)蒙古大壩口水庫改擴(kuò)建工程已通過竣工驗(yàn)收。工程可保護(hù)下游3 333.33 hm2（5萬畝）農(nóng)田、8個(gè)村莊、4個(gè)規(guī)模以上企業(yè)、1個(gè)旗級城鎮(zhèn)、6萬人、10萬頭（只）牲畜，2條一級公路、3條工業(yè)用電專線的安全，確保河套灌區(qū)杭錦后旗20多萬畝良田免受洪水威脅，運(yùn)行期可向周邊企業(yè)和城鎮(zhèn)居民年供水300萬m3，項(xiàng)目建設(shè)可以保障和促進(jìn)該地區(qū)的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。