溪洛渡電站設計中的重大技術問題研究（下）

肖白云

3.3 壩體應力分析、

(1)應力控制標準 應力控制標準系根據《混凝土拱壩設計規范》和《水工建筑物抗震設計規范》的有關規定，以國內外高拱壩容許應力標準為基礎，結合我國近期高拱壩的建設經驗及溪洛渡拱壩工程特點，本著安全可靠、經濟合理、施工方便等要求而確定的。溪洛渡拱壩應力分析以拱梁分載法為主。相配套的容許應力控制標準見表2和表3。

(2)壩體應力分析

壩體應力分析以多拱梁法為主，有限元法及模型試驗為輔。通過對各種工況包括施下：期的壩體應力分析以及甚礎特性等參數的敏感性分析，拱壩應力分布良好，應力水與二灘拱壩相當，不僅滿足設汁要求，而且對基礎變模的浮動具有較好的適應能力。壩身設有表孔、中孔后，對大壩整體應力分布從拱壩整體穩定無影響，儀導致孔口附近局部應力集中，通過配筋即可解決。大壩混凝土強度以R180 350控制。

采用拱梁分載法(9拱17梁)，在荷載基本組合工況和特殊荷載組合工況下，壩體應力位移汁算成果見表4、表5

從計算結果可知：

在基本組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工況作用下，壩體最大徑向位移12.6cm，壩基河床最大徑向位移3.8Cm，壩體位移平順光滑；壩休應力狀態良好，壩體大部分處于受壓狀態，只在中部高程壩踵部位局部出現拉應力，最大主拉、主壓應力值滿足應力控制標準。說明拋物線體型設計符合要求。

在特殊荷載組合工況下，壩體應力滿足應力控制標準，應力分布規律及最大位移、最大應力出現部位與基本組合相似，主要差別在于上游壩踵拉應力增大，增幅約30％。線彈性有限元法計算結果表明：壩體位移對稱、均勻與拱梁分載法計算成果一致；壩體拉應力主要受上游面控制，從拉應力區分布及拉應力值綜合判斷，壩體拉應力滿足設計要求；壩體壓應力主要受下游面控制，從壓力區分布及壓應力值總和判斷，壩體壓應力滿足設計要求。

3.4 壩肩穩定分析

從壩址區的地形地質分析，對拱壩壩肩穩定有利，主要表現為：河谷狹窄，地形完整對稱，山體雄厚；壩肩出露的巖體為堅硬、完整的去武巖，具有較高的強度。壩肩巖體內無特定的陡傾角結構面發育，只有稀疏、短小、擠壓緊密的陡傾角裂隙發育(其連通率<10％～20％)。對壩肩穩定不不利的因素是玄武巖內層間層內錯動帶較發育，錯動帶物質大多由堅硬的玄武巖角礫碎塊組成，但大多擠壓較緊密，是拱壩壩肩穩定控制性底滑面。

壩肩抗滑穩定分析以剛體極限平衡法為主，壩肩抗力休的側滑面為一套極不發育的節理裂隙；底滑面為特定的層間層內錯動帶，傾角平緩，面有起伏，連續性較好。

按照地質勘探揭示的裂隙產狀及層間層內錯動帶的產狀、分布和位置，列出壩肩各種町能的滑移面組合，按規范要求，采用剛體極限平衡法進行壩肩穩定計算，結果見表6。

計算結果表明，純摩、剪摩安全系數均達到并超過規范要求，穩定性較好。

除此之外，采用目前國內的多種計算程序進行靜、動荷載作用下的壩體應力分析、拱座穩定分析和大壩的地震反應分析，計算結果表明：在不同荷載組合工況下，拱座基本上無不良應力分布，拱壩應力分布較為理想；左右岸拱肩的穩定安全系數滿足要求；壩體設計符合地震設防要求。

3.5 拱壩抗震設計

溪洛渡水電站位于南北向的峨邊一金陽斷裂，北東向蓮峰斷裂及北西向馬邊一鹽津隱伏斷裂帶所圍限的雷波一永善三角形塊體之中南部，塊體面積約1 600km2，斷裂不發育，具有良好的穩定性。壩址區地震危險性主要自塊體東部馬邊地震帶強震的波及影響。1989～1990年國家地震局對溪洛渡水電站進行了地震基本烈度復核和地震危險性分析，壩址區地震基本烈度為Ⅷ度，相應的基巖水平峰值加速度為0.18g；100年超越概率0.02時，基巖水平峰值加速度0.32g。總庫容l 26.7億m3，最大壩高278m，溪洛渡混凝土雙曲拱壩壩頂高程610m，壩高超過世界上最高的格魯吉亞英古里壩，溪洛渡拱壩、英古里拱壩和小灣拱壩都是建在基本烈度Ⅷ度的高地震區的特高拱壩。根據《水工建筑物抗震設計規范》 (DL5073—2000)規定，拱壩抗震設計類別為甲類。由于壩高大于250m，其抗震安全性須進行專門研究。

按現行設計規范要求，進行如下計算分析：①動力拱梁分載法進行拱壩強度動力分析；②線彈性有限元反應譜法進行拱壩強度動力分析；③線彈性有限元時程法進行拱壩強度動力分析；④采用剛性極限平衡法和剛體彈簧元法進行拱壩壩肩動力穩定分析。

圍繞以下幾個問題開展專題研究：

①壩體橫縫張開對壩體動力反應的影響：在強震作用下，拱壩中、上部會產生很大的拱向拉應力，抵消靜態壓應力的拉應力，將使基本不能抗拉的橫縫張開，并隨著突變的地震作用而反復開合，使壩體應力重分布，拱向應力顯著降低，拱壩的強度反應成為一個復雜的三維邊界接觸的非線性動力問題，直接關系到抗震安全性的評價，因此研究了壩體橫縫張開對壩體動力反應的影響；②地基輻射阻尼對壩體動力反應的影響：拱壩在地震作用的過程中，存在波動能量向遠域地基的、輻射。人為截斷地基邊界，造成截斷邊界上波的反射作用，加大了拱壩動力反應。因此，在遭遇強震時應考慮波動能量向遠域地基逸散的輻射阻尼影響；③地震動非均勻輸入對壩體動力反應的影響：采用柯依納波作為輸入地震波，分析地震運動沿壩的相差幅差、分析對拱壩動力反應的影響；④綜合考慮地基輻射阻尼，壩體橫縫張開對壩體動力反應的影響；⑤動力模型試驗，模型壩體模擬了橫縫布置并設置人工阻尼邊界。

拱壩抗震設計的各項研究，均采用目前國內外先進的計算方法和模型試驗手段，結合工程類比進行了全面的分析和科技攻關。研究工作聯合了國內高水平的科研單位、大專院校及知名專家共同完成。計算研究及模型試驗成果表明，溪洛渡高拱壩在遭遇設防烈度地震時，其強度及穩定性均能滿足抗震設計要求，主要結論如下：

(1)大壩自振頻率相對較低，呈現出各階模態分布密集的特點。在正常蓄水位及低水位運行時，大壩第一階振型呈反對稱，第二、三階振型呈正對稱。正常蓄水位時，大壩基頻1.18～1.25Hz，基本周期0.80～0.85s。

(2)采用拱梁分載反應譜法和線彈性有限元反應譜法的分析結果基本一致，僅數值上有一定的差異。壩體壓應力滿足設計要求，有一定的安全裕度。壩體的高拉應力區集中出現在壩體中上部，由地震時的拱向拉應力產生。在正常蓄水位情況，拉應力值超過標準的壩體面積與壩體總面積之比〈0.4％，低水位時其比值<5％。

(3)反應譜作用下的地震反應與人工波作用下的計算結果基本相似。輸入不同的地震時間歷程，對動應力的分布規律影響不大。

(4)地基輻射阻尼對動應力的分布規律影響不大，但拱壩地震反應顯著降低。最大拱向應力值減小25％～40％，最大梁向應力值減小25％～50％。

(5)地震運動幅差相差對壩體動應力綜合影響不顯著。

(6)強震作用下，壩體橫縫張開，壩體應力重分布，頂部拱冠梁附近的高拉應力被釋放。正常蓄水位及低水位運行時原出現高拉應力部位的拉應力遠小于應力控制標準。綜合高拉應力區分布范圍及應力集中影響區以外的壩體應力值，壩體應力滿足設計要求。如考慮壩體材料的非線性，則消除了上游壩踵出現的局部應力集中現象，拉應力滿足應力控制標準。

(7)設計地震作用下，壩踵出現局部開裂，計算深度〈5m。裂縫相對穩定，大壩整體穩定能夠得到保證。

(8)模型試驗表明，設計地震時，壩體最大應力不超過壩體材料強度控制標準。模型壩在3.9倍設計地震時發生損傷，5.2倍設計地震時左右壩肩附近由顯著開裂跡象，其它部位仍尤可見損傷。壩體發生明顯損傷跡象之后，其震后靜承載能力末見異常，表明拱壩自身有優異的抗震性能。

(9)采用剛體極限平衡法及剛體彈簧元法進行的壩肩動力穩定計算分析表明，壩肩動力穩定滿足設計要求。

(10)按照壩體混凝土分區方案，在拱冠梁附近中上部區域及壩基附近區域采用180d齡期抗壓強度為36MPa的混凝土，其動、靜迭加的抗壓、抗拉允許應力分別為17.7MPa及3.3MPa，計算及模型試驗成果均表明，拱壩強度滿足抗震設計要求。

在強震作用下，橫縫的最大開度不大于10mm，不會導致橫縫間止水破壞，從這一角度分析，勿需設置抗震鋼筋來保證大壩的整體性。

3.6 泄洪消能

金沙扛：徑流豐沛，洪水峰高量大，洪水過程較長，洪水過程線多呈復峰型。壩址處多年平均流量4 620m3／s，年徑流

量1 460億m，相當于黃河徑流量的3倍，水庫正常蓄水位以下庫容雖有115.7億m3，但與年徑流量相比，水庫庫容系數較小，調蓄洪水能力有限，每年均要頻繁泄洪。

電站千年一遇洪水洪峰流量43 700m3/s，萬年一遇洪水洪峰流量52 300m3／s泄洪功率近100 000MW，位居世界高拱壩之首，約為已建的二灘電站泄洪功率的3倍，與國內外部分已建成的高拱壩泄洪功率比較參見表7。

溪洛渡工程泄洪消能功率高，具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的特點。國外高拱壩工程的泄洪功率相對較小，已建薄拱壩中泄洪功率最大的是洪都拉斯的唉爾卡洪拱壩，泄洪功率15 500MW；國內已建工程中，泄洪功率最大的是二灘水電站，泄洪功率為39 000MW，均遠遠小于溪洛渡工程100 000MW的泄洪功率。因此，溪洛渡工程泄洪消能問題十分突出，是世界水平的高難度問題。

為解決泄洪消能問題，結合壩址區地形地質條件，溪洛渡工程泄洪消能設計以“分散泄洪、分區消能、按需防護”為原則，采用壩身孔口、兩岸泄洪洞和適當臺數機組共同承擔泄洪任務的布置方案。主要泄水建筑物由壩身7個表孔、8個深孔和兩岸5條泄洪洞組成。

在設計中解決了以下關鍵技術問題：

(1)增大壩身孔口泄量

溪洛渡河道順直，基巖裸露，抗沖流速高，有條件增大壩身孔口泄洪流量，減輕壩外泄洪任務，從而縮小泄洪洞的規模，或者保持原有泄洪洞的規模，減少泄洪洞數量，降低工程造價，經濟效益顯著。

壩身采用表孔、深孔相結合，分層出流，上下差動，空中擴散，水舌空中碰撞。射流水舌在入水處縱向盡可能的分散；在水舌不砸岸坡的條件下，充分利用下游水深大的特點，使水舌橫向拉開與擴散，有效地削弱人水射流的集中程度；利用射流和淹沒水躍的消能原理在水墊塘中集中消剎下泄洪水的能量，并減少水舌沖擊壓力，以減輕射流對水墊塘底板的沖刷破壞。并對水墊塘進行襯護。形成“分層出流、水舌碰撞、水墊塘消能”的消能方式。通過壩身孔口泄洪功率達到57 000MW，為二灘的2倍，是技術上的重大突破。

多個水力學模型試驗的成果表明，針對壩身設7個12.5mXllm表孔和8個6mX6.7m的深孔的設計方案，通過表孔采用舌形坎或差動坎，縮短表孔閘墩、優化表孔和深孔體型等工程措施后，當壩身宣泄30 000m3／s流量時，表孔和深孔水舌能適當碰撞、剪切形成散落狀水股，水舌擴散充分。碰撞后的水舌大量摻氣，形成摻氣水流，消能效果較好。多股水流入射壩下水墊塘后，在水墊塘內形成復雜的三元水流，在水墊塘內縱向、橫向和垂向擴散，加之與水墊塘邊壁的碰撞折沖，下泄水流劇烈紊動消能。利用水墊塘內水深達80m左右的有利條件，大大地減少底板上的動水壓力。水墊塘底板上的最大時均壓強僅為13mX9.8MPa，在設計的允許范圍之內。

通過模型試驗，驗證溪洛渡拱壩壩身宣泄30 000m3/s流量，壩身孔口泄流能力，水流流態，消能效果，水墊塘底板上的最大時均沖擊壓力和底板穩定均能滿足要求。再通過拱壩泄洪振動水彈性模型試驗，壩身泄洪時誘發的壩體振動是有感振動，其數量級不會對壩體安全構成威脅，也不會對環境和人造成危害。通過多項指標的綜合分析，下游河道具有承受由壩身孔口下泄30 000m3／s流量的能力。因此設計采用壩身孔口宣泄30 000m3／s流量是可行的。壩身泄洪消能指標與國內外高拱壩工程比較見表8。

(2)采用反拱型水墊塘

溪洛渡工程的泄洪消能設計采用壩身設兩層孔口，壩后設水墊塘消能的布置方式。這樣布置方式使樞紐布置緊湊，泄洪水流方向與原河道基本一致，順應河勢，避免下泄水流對兩岸的直接頂沖，是一種既安全又經濟的布置方式。在設計中首先注意水墊塘的開挖不能危及大壩的壩肩安全，水墊塘的邊坡不宜太高；其次，水墊塘底板的穩定性。因為大量的能量在水墊塘內消剎，一旦水墊塘底板失去穩定，河床基巖遭受沖刷，勢必影響大壩及壩肩的穩定。

溪洛渡水電站壩址河谷形態為對稱的窄“U”型，枯水期水面寬70～1lOm，河床420m高程以下的坡度較緩，僅為20°～25°，420m以上則為55°～75°陡坡。從適應河谷形態，減少岸坡的開挖，增加底板穩定的安全度考慮，采用反拱形底板水墊塘。

為研究水墊塘內的水流特性，專門制作了樞紐整體模型，并開展了反拱型水墊塘底板的整體穩定和局部穩定的試驗研

究，得出以下結論：

①反拱型水墊塘的流態與平底板水墊塘沒有本質的區別，壩身多股射流，在水墊塘內形成復雜的流動結構，塘內水流紊動和混摻劇烈，消能比較充分。采用先進的測試手段，細致地分析了水墊塘復雜的三元流動結構，按照不同的受力情況對水墊塘各部位進行適當的保護，可以保證工程的安全運行。②反拱型底板的受力特性與平底板不同。平底板塊以升浮穩定為控制條件，其抗力主要是單塊的自重和錨固力，一旦止水破壞，抽排系統失效，動水壓力沿裂縫傳到板塊底部，對底板穩定形成直接危險，特別是水墊塘動水壓力較大的水舌入水區，容易產生底板塊失穩。反拱型水墊塘底板，當動水壓力產生的上舉力超過底板塊自重時，底板塊間形成拱，靠拱端產生的推力來維持其穩定。反拱型底板在上舉力作用下產生的推力在摩擦力和錨筋剪切的力的耗損下傳至拱底，因此拱端產生的推力不會很大，拱座容易保持穩定。③反拱各底板塊上舉力相關性差，各單塊底板穩定失穩受相鄰兩塊底板制約大，從而保證了各單塊底板有足夠大的穩定性；反拱型底板較之平底板有更大的安全度，在模型上不設抽排和止水措施，也末見底板塊發生失穩。

(3)大泄量的“龍落尾”泄洪隧洞

溪洛渡工程40％的泄量山兩岸多條泄洪洞負擔，單洞泄量高達4 000m3/s。泄洪隧洞分流后可減輕壩下消能防沖的負擔和泄洪霧化的影響，增大樞紐泄洪設施運行的靈活性利可靠性。由于水庫設有46.5億m3防洪庫容，汛期庫水位基本上要維持在560m運行，汛期泄洪設備主要為泄洪洞和壩身深孔。泄洪洞加上部分機組運行可以宣泄常年洪水。因此，對泄洪洞的安全運行要求頗高。

根據樞紐布置，泄洪隧洞長1.3～1.8km，平面上布置要轉彎，泄洪洞水頭高，反弧段流速達45m/s以上。在總結國內外大型泄洪洞設計和運行經驗的基礎上，提出進口為有壓段，后經地下工作閘門室接無壓洞，無壓洞洞內“龍落尾”型式，將總能量的80％左右集中在尾部占全洞洞長的15％的洞段之內。泄洪隧洞洞內流速大多控制在25m／s左右，僅在龍落尾段流速才由25m／s增加至反弧段末端的45m/s。這種布置型式的優點：絕大多數洞段由于流速低，不致產生空化空蝕，襯砌要求低；高速水流集中，減少襯砌工程量，增加了洞身運行的安全度。由于出口水流流速較大，挑射水舌能挑至主河床，水流歸槽條件好；加之高流速無壓段短且與大氣連通條件好，水流表層自摻氣充分，提高了水流的空化數，增加高流速段抗空化空蝕能力。

(4)將一條導流洞改建為泄洪洞溪洛渡電站采用全年斷流圍堰隧洞導流的導流方式，左布岸各設3條18mX20m導流隧洞。其中左右岸各2條導流洞擬與廠房尾水洞相結合，將剩下的2條中的1條改建為泄洪隧洞。山于水頭高(約200m)、泄量大(3000m3/s)、技術難度大，在“八五”、九五”攻關基礎上，進行了多種體型的對比試驗，深入研究改建中存在的關鍵技術難題，提出采用豎井旋流與孔板消能整流相結合的消能方式和豎井與洞塞相站合消能的方式，并經模型試驗驗證，消能率達90％，洞內流速控制在25m/s左右，這兩種改建方式都是可行的。由于導流洞結合段內流速低、壓力小，在結構上不需要作特殊處理，完全可以利用原導流洞。豎井段結構簡單，投資不入片：可以提前施了，改建占用直線工期少，因此被設計采納。

樞紐整體模型試驗和單體水力模型試驗表明，這會樞紐泄洪建筑物的設計方案，其泄洪能力、消能效果和布置格局是安全可行的，完全可以在遭遇特大洪水時投入使用。

3.7 超大型地下洞室群設計

溪洛渡水電站裝機容量12 600MW，發電廠房分左、右兩岸對稱布置。每個廠房各裝機9臺，單機700MW。左、右岸地下工程包括地下廠房、主變室、尾水調壓室、引水隧洞、尾水隧洞、母線洞、電纜豎井以及交通洞、通風洞等輔助洞室，形成規模巨大的地下洞室群。主廠房尺、(長X寬X高)430.3mX28.4mX75.1m，地下洞室總開挖量近1 500萬m3，超過已建的二灘、拉格朗德二級以及丘吉爾電站地下廠房。廠區洞室多、尺寸大、布置密集、立體交叉 ，在世界上是沒有先例的。參見圖3。

在地下工程的設計中，工程布置、圍巖穩定評價以及加固處理措施等都屬關鍵技術問題，對工程建設的安全性和經濟性影響甚大，設計給予了充分重視。溪洛渡工程兩岸地下廠房洞室群的水平和垂直埋深均大于300m。圍巖新鮮堅硬、完整性好，呈塊狀結構，斷層不發育，以Ⅰ、Ⅱ類圍巖為主，圍巖成洞條件好。初始地應力場以構造應力為主，最大主應力為15.0～20.0MPa屬中等地應力水平。巖層近水平展布、垂直裂隙不發育，主要構造形跡為近水平的巖流層層間層內構造錯動帶。巖體內地下水活動弱，透水性低，水文地質條件相對較簡單。兩岸均具備修建大型地下洞室群的良好工程地質條件。

緩傾角層間、層內錯動帶對大跨度頂拱、高邊墻及洞室交叉部位圍巖的穩定不利。影響圍巖穩定的因素很多，結構面的組合、地下水的運移規律、施工程序、開挖方法、圍巖力學參數等都有一定的不確定性，這些不確定因素給超大型地下洞室群的設計、施工及圍巖臨時與永久支護帶來極大的困難。在溪洛渡工程的研究設計中，結合“九五”國家科技攻關和特殊專題研究，開展了前所未有的分析、試驗研究工作，重點研究地下廠房洞室群圍巖穩定與支護、合理的施工順序、無支護時圍巖靜力穩定特性、有支護時圍巖靜力穩定特性(包括彈塑性損傷有限元分析、FLAC3D拉格朗日元分析及三維地質力學模型試驗)和洞室群的抗震穩定分析。建立了地下洞室群的動力分析系統和施工動態仿真分析模擬系統。利用這些先進方法和手段能充分考慮優化開挖順序、確定加錨支護參數、施工爆破參數，對地下廠房洞室群的圍巖穩定作出合理的評價，使地下廠房的設計有較大的提升和突破。

4 結束語

成都勘測設計院積幾十年的經驗，集中優勢力量，針對工程規模大、技術難度高、設計周期短等問題，在可研設計中注意采用國內外最新的科研成果和新技術。針對重大技術問題列出專題，與國內的科研單位和大專院校通力合作，并依托國家“九五”科技攻關，攻克了這些技術難題，保證了可研報告的質量。目前溪洛渡工程已批準立項開工，我們將在下階段設計和工程實施的過程中，繼續深化研究和落實這些重大技術問題。