溪洛渡高拱壩貼角結構形式研究及布置設計

趙 艷，尹華安，趙文光

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站攔河大壩采用雙曲拱壩，壩址區兩岸山體渾厚，谷坡陡峻，地形完整，無溝谷切割，河谷斷面呈較對稱的“U”形。

在拱壩澆筑時，對于壩體周邊部位，由于壩面與拱肩槽邊坡之間空隙狹小，需在一定高度的范圍內，將大壩的混凝土澆筑成貼角的形式。除方便施工外，貼角本身還能加大拱壩底部的剛度，并對壩體周邊應力和基礎部位的應力傳遞起到一定的改善作用。貼角的布置設計是拱壩設計中的重要環節之一。

本文對拱壩上下游貼角結構形式、受力條件以及貼角對大壩的應力應變影響展開研究，分析不同貼角方案的各個工況下，大壩、基礎應力及變形狀態；根據分析成果，結合工程布置要求及相關工程經驗，提出推薦的貼角形式及布置方案。

2 基本條件

2.1 有限元計算范圍及結構離散

溪洛渡雙曲拱壩壩頂高程610.0m，建基面高程324.5m。拱冠梁頂部厚度14.0m，底部厚度60.0m。計算中對壩體、周邊貼角結構形式、壩基各類巖體和結構面進行模擬。壩體及壩基巖體采用空間8節點等參數實體單元，貼角橫縫及伸縮縫采用Goodman夾層單元。整體計算域共離散為150 160個節點和149 091個單元。

2.2 巖體強度與本構模型

在貼角結構形式的有限元分析中所采用的強度與本構模型：

按低抗拉彈塑性模型分析，巖體材料開裂條件用宏觀強度描述：

σii>Rt(i=1,2,3)

式中σii——表征應力張量三個主應力。

在分析中σii可能呈單向、雙向及三向開裂情況，由程序自行校核并進行剛度修正。

巖體是否進入塑性狀態，按Druker-Prager準則判別：

式中I1和J2——分別為應力張量的第一不變量

應力偏張量的第二不變量；

α，k——與巖體材料摩擦系數tanφ和凝聚力c有關的常數。

式中

對于壩體混凝土和置換混凝土，采用S.S.Hsigh四參數準則：

其中A=2.010 8，B=0.971 4，C=9.141 2，D=0.231 2

定義Drucker-Prager準則對應的點強度儲備安全系數為：

仿照上述點強度儲備安全系數定義，定義混凝土的點安全系數為：

3 研究方案及綜合評價方法

3.1 貼角計算方案和荷載組合

為細致研究不同上下游貼角方案的壩體及基礎應力狀態，擬定10個方案研究貼角的作用。主要分析比較周邊不設貼角與設置貼角的應力狀態；上游不設貼角、設置中貼角、設置高貼角的方案對比；下游610m高程以下設貼角和416m高程以下設貼角的對比；416m高程以下高、中、低三種貼角方案對比；下游貼角設置伸縮縫的影響。通過對各個方案的綜合對比分析，確定相對最優的貼角布置方案。

計算中的荷載組合考慮了自重+正常蓄水+溫降、自重+校核洪水+溫升等組合工況。

3.2 評價方法

對于各種貼角方案，通過計算得出大壩及貼角部位的應力量值及分布、壩基點安全系數，并進行以下3個方面綜合評價：

(1)不同貼角方案的大壩應力和變位情況，高應力區分布范圍和量值，壩基的變形和應力。

(2)地基點安全系數分布，點安全系數低值的范圍和深度。

(3)貼角部位本身的應力狀態。

通過對各個計算方案的綜合評價，確定貼角最終的設計方案。

4 貼角結構形式優選分析

4.1 壩體變位及拱端變位

各個方案計算得出的壩體變位分布均勻、對稱。壩體最大順河向位移10.73～11.16cm，均出現在拱冠梁520m高程附近；拱端最大順河向位移2.28～2.51cm，出現在380m高程附近；拱端最大橫河向位移0.74～0.94cm，右岸出現在470m高程附近，左岸出現在530m高程附近。

總的來看，布置貼角的壩體變位小于不設貼角的變位，并且壩體變位隨著貼角方量的增大而呈減小的趨勢。

在下游貼角相同時，設置上游貼角對壩體變位的影響微弱，尤其是上游中貼角方案和高貼角方案之間差異很小，反映出壩體及基礎變形與上游貼角的關系不大。

下游貼角的高程對壩體變位具有一定的影響。由不同的下游貼角方案計算結果可以看出，壩體變位隨著貼角方量的增大而減小。下游416m高程以上貼角對下游橫河向位移的約束作用比對順河向位移的約束作用更為明顯。

下游貼角是否設伸縮縫對壩體變位影響微弱。

4.2 壩體應力

各個方案計算得出的壩體應力分布均勻，分布規律相似，高應力區的出現部位差別不大。上游壩面最大主拉應力-1.46～-1.72MPa，最大主壓應力5.99～6.43MPa；下游壩面最大主拉應力-0.21～-0.50MPa，最大主壓應力10.12～11.53MPa。上游壩面主拉應力、下游壩面主壓應力極值均出現在低部高程拱端附近。

上游設置貼角壩踵拉應力有所減小，上游貼角適當加大，可以改善上游壩面的拉應力極值，但對上游壓應力極值影響不大。上游貼角的不同方案對下游壩面拉壓應力影響微弱。

下游設置貼角對改善下游壩面拉、壓應力特別是壓應力效果顯著，并且壩趾主壓應力過渡更加平順。貼角方量越大，應力改善越明顯。在上游貼角相同的條件下，加高下游貼角可以略微改善上游壩面拉、壓應力極值，壩踵拉應力區和拉應力量值均有所減小。

通過對下游貼角設置高程的分析，下游416m高程以上貼角可以略微改善上游壩面拉壓應力極值，而對改善下游壩面拉壓應力作用微弱。

下游貼角是否設伸縮縫對壩體應力影響很小。

4.3 貼角部位應力和點安全系數

各個方案的貼角部位均處于受壓狀態，未出現拉應力；按照混凝土四參數準則，貼角部位混凝土的點安全系數在5.9以上，貼角混凝土處于彈性工作狀態。

4.4 壩基點安全系數

各個方案計算得出的壩基點安全系數分布規律相似，沿拱壩周邊點安全系數大致隨高程降低而減小。

設置貼角與未設貼角方案相比較，中上部高程的壩基點安全系數相差不大，而低部高程的壩基點安全系數明顯提高，由不設貼角方案的1.0～1.5提高至設置貼角方案的1.5～2.0。

5 貼角設計方案

通過不同貼角方案分析成果，進行壩體變形、壩體應力、貼角結構應力、壩基點安全系數綜合比較，確定貼角布置方案(見圖1、2)。該方案具有如下技術特點：

(1)下游392m高程以下設置貼角，且與壩面進行斜面倒角過渡。

(2)河床部位下游貼角至362m高程，往兩岸貼角高度逐漸均勻減小。河床部位設置階梯過渡，增大應力擴散面積，減小下游壩趾應力集中程度。

(3)貼角分縫與相應壩段橫縫一致，同大壩橫縫一起進行接縫灌漿。貼角自身不設置伸縮縫。

(4)上游貼角采用中貼角方案，上游貼角與壩基巖體之間進行脫開處理。

6 貼角設計方案計算分析

對依據計算成果設計的貼角布置方案，進行各種不同荷載工況下的壩體應力計算，得出上、下游壩面的主應力極值見表1。表中同時列出了不設置貼角的壩體應力極值。

從壩體應力分布看，設置貼角對壩體應力分布規律影響很小，壩體應力分布近于對稱；貼角設計方案較不設貼角方案，上、下游壩面拉壓應力極值減小，并且下游壩面壓應力分布得到改善，應力分布更為平順。

圖1 溪洛渡拱壩貼角平面布置

圖2 溪洛渡拱壩下游貼角立面

貼角設計方案在各個工況下，下游貼角均處于受壓狀態，未出現拉應力。按照混凝土四參數準則，貼角點安全系數在6.3以上，貼角處于彈性工作狀態。

對貼角設計方案，進行各種不同荷載工況下的基礎變形及壩基點安全系數計算，得出壩基各個高程基礎的點安全系數見表2。表中同時列出了不設置貼角的基礎點安全系數極值。

表1 溪洛渡拱壩上下游壩面主應力 MPa

注：應力以拉為負，以壓為正。

表2 貼角設計方案拱端點安全系數

從壩基礎點安全系數看，貼角設計方案沿拱壩周邊基礎點安全系數大致隨高程降低而減小，分布規律與不設貼角時相似。貼角設計方案改善了壩址處的應力傳遞狀態，使低部高程的下游壩址處基礎的點安全系數有較顯著的提高；同時提高了壩體剛度，壩基變位比不設貼角時的變位減小，下游貼角處位移與大壩和巖體變形協調，變形梯度更為均勻。

7 結 論

在拱壩澆筑時，壩體周邊上、下游部位設置一定高度的貼角是必要的。通過合理地布置上、下游貼角，能方便施工，提供施工期及運行期的交通便利，能加大拱壩底部的剛度，并對壩體周邊應力和基礎部位的應力傳遞起到一定的改善作用。

周邊貼角對壩體應力和基礎點安全系數都會產生影響，應結合拱肩槽開挖的地形條件、壩基地質條件、拱壩基本體形綜合考慮貼角的布置設計。通過對壩體應力分布的影響分析，壩體及基礎變形分析，貼角結構的應力狀態分析，基礎點安全系數的影響分析，經綜合比較確定相對最優的貼角布置方案。

本文針對溪洛渡拱壩上下游貼角布置，分析不同貼角方案的各個工況下，大壩、基礎應力及變形狀態；總結了不同貼角方案對壩體應力及基礎點安全系數的影響規律；通過綜合比較，提出了推薦的貼角形式及布置方案。計算分析表明，貼角設計方案在改善壩身拉壓應力、改善壩體和基巖的協調變位和應力擴散、提高壩肩點安全儲備等方面，均達到了設計的目的。

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