高拱壩建基面巖體及壩體混凝土參數的合理選用研究

遲守旭，吳桂蘭，于海江，王佩玨，范瑞朋

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

高拱壩建基面巖體及壩體混凝土參數的合理選用研究

遲守旭，吳桂蘭，于海江，王佩玨，范瑞朋

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

拱壩體形優化設計是一個重要課題，現在普遍的做法是采用拱梁分載法，主要參數包括建基面巖體和壩體混凝土的力學、熱學參數，其取值準確性與拱壩體形設計合理性直接相關。以嚴寒地區某167.5 m高拱壩為例，提出采用敏感性分析方法，對建基面巖體和壩體混凝土的主要參數選用的合理性進行研究，保證拱壩體形設計的合理性。

拱壩；體形設計；敏感性分析

1 引言

拱壩主要以壓力拱的形式將荷載傳到兩岸山體，并以壩—基礎的聯合作用完成擋水任務。它適合修建于V和U形河谷，是經濟性與安全性都比較優越的壩型之一[1]。

拱壩體形優化設計是一個重要課題，涉及到建基面選擇、壩體應力、壩肩穩定等各個方面，是關系拱壩設計成功與否的重要環節。現在普遍的做法是采用拱梁分載法進行體形優化設計，主要設計參數包括基礎和壩體的力學參數、熱學參數，其中巖體變形模量、混凝土彈性模量、混凝土線脹系數等參數選用是否合理，直接關系到拱壩體形設計的合理性。

建基面巖體變形模量受勘察認識、現場爆破施工、地應力釋放、固結灌漿效果等因素影響，前期設計中難以準確估計。地質所提供參數一般是一個范圍值，體形優化時如何取用影響甚大。壩體混凝土彈性模量、線脹系數等參數是壩體設計的基本參數，其受配比試驗、骨料、水泥、摻加劑、材料不均勻性、橫縫灌漿質量等的影響，且體形設計時采用壩體混凝土持續彈性模量進行計算，持續彈性模量規范規定采用瞬時彈性模量的0.6～0.7倍[2]，體形設計時難以精確取用。混凝土線脹系數的取值與混凝土骨料巖性、混凝土配合比、溫度變化及濕度狀態相關，具有一定的不確定性。

因此，拱壩體形優化設計中，提出一種敏感性分析方法，首先要對計算所需基本參數分析確定采用值，經過反復調試得到拱壩初步體形，再考慮以上主要參數變化范圍，保證在各種情況下拱壩體形均滿足設計要求，對拱壩體形優化設計具有重要意義。

2 工程概況

嚴寒地區某雙曲拱壩壩高167.5 m，總庫容3.68億m3，總裝機容量160 MW，為一項綜合工程的組成部分，整體工程為大（1）型I等工程。本拱壩樞紐主要建筑物為2級，由于混凝土拱壩壩高超過130 m，拱壩級別提高一級，按1級建筑物設計。工程區地處嚴寒、強震地帶，多年平均氣溫7.7℃，極限溫差達78℃，每年有效澆筑時間僅6個月。拱壩的抗震設防類別為甲類，按9度設計，壩址區100 a超越概率2%地震動峰值加速度為0.431 g，100 a超越概率1%地震動峰值加速度為0.510 g。

壩址處為V形河谷，河谷狹窄，寬高比為1.26，主河床寬約20 m，岸坡坡度多在65°以上，兩岸谷坡地形較平順完整。壩址區基巖以巨厚層、厚層、中厚層灰巖為主，巖質堅硬，但巖體中隱微裂隙較發育，巖塊（體）受過“內傷”，呈現出“似鑲嵌結構”，導致灰巖巖塊強度總體偏低，AⅡ類巖體分布較少。地層發育有侵入巖脈，巖性為花崗閃長斑巖，具有不同程度的蝕變。壩址區構造格架簡單，結構面稀疏發育。拱壩受力范圍內斷裂構造總體不發育，Ⅲ級結構面5條，其中Jef4為中緩傾角切層斷層、其余均為陡傾角層間錯動斷層，另有部分Ⅳ、Ⅴ級結構面發育，性狀以硬性結構面為主。

總之，本工程地處嚴寒地區，地震烈度高，年有效施工期短，加之地質條件相對復雜，對拱壩的體形優化設計提出了更高的要求。

3 拱壩體形優化設計方法

高拱壩的投資主要由壩體混凝土體積決定。因此，體形優化設計時，以拱壩體積作為目標函數，其它要求均以約束條件形式在過程中具體體現。拱壩優化的約束函數包括幾何約束、應力約束和穩定約束，它們必須全面地滿足設計規范的規定，并考慮施工和結構布置上的要求。拱壩體形優化設計采用中國水利水電科學研究院ADASO五向調整拱壩應力分析程序，用懲罰函數法和序列二次規劃法求解，計算速度和精度均較高。

4 拱壩體形優化初步成果

結合此拱壩特點，采用拱梁分載法，綜合考慮建基面、壩體應力、壩肩穩定等主要因素，經過多方案對比分析，最終以上下游倒懸度≤0.3、8.0 m≤壩頂厚度≤10.0 m、拱端厚度≤50.0 m為幾何約束條件，以半中心角≤49°、最大中心角≤97°為穩定約束條件，以壓應力≤8.75 MPa（C9035混凝土）、拉應力≤1.2 MPa、接縫灌漿前壩塊自重產生的拉應力≤0.5 MPa為應力約束條件進行體形優化設計，拱壩體形優化成果見表1。

表1 拱壩優化體形參數

5 建基面巖體變形模量參數選擇及敏感性分析

本工程壩址區巖性以巨厚層、厚層、中厚層灰巖為主，但由于巖塊（體）受過“內傷”，呈現出“似鑲嵌結構”，Ⅱ類巖體分布較少，建基面巖體以AⅢ-1和AⅢ-2類為主，局部Jef4出露部位為AⅣ類，需進行混凝土置換處理。

通常地勘報告中提供的拱壩建基面巖體物理力學參數非常全面但很少給出定值，一般來說每個巖體力學參數都給設計提供了一個取值范圍，有的參數取值范圍比較寬，在允許的范圍內取不同的參數值，得出的優化成果相差可能很大。甚至有可能，同樣在推薦允許范圍內取值，用其中一個參數優化出來的方案代入另一個參數值，則變成了不可行方案。所以說，如果選用了不合理的地質參數，就有可能造成較大的工程風險。另外，拱壩優化設計時采用較低的基巖變模值并不能保證壩體更安全，工程采用方案中壩體應力值必須留有一定的寬裕度，以適應壩基變形模量的變化。

本工程在進行體形優化設計時，對每層拱圈的變形模量均根據平切圖拱端所處的巖體類別地質建議值的中值以及其在拱端處所占比例，按照加權平均法進行計算。根據地質資料，AⅡ級巖體變形模量為13.0～15.0 GPa，計算時取14.0 GPa；AⅢ-1級巖體變形模量為8～11 GPa，計算時取9.5 GPa；AⅢ-2級巖體變形模量為6～7 GPa，計算時取6.5 GPa。建基面各類巖體變形模量上下浮動20%后取值范圍，見表2。

表2 拱壩建基面巖體變形模量 GPa

由表2可以看出，當采用地質建議值的中值上下浮動20%作為建基面巖體變形模量分析時，每類巖體的取值范圍均將地質建議值包含在內，可全面滿足拱壩體形設計對建基面巖體變形模量的要求。因此，拱壩體形優化設計時，各類巖體變形模量采用中值，并按照上下浮動20%進行敏感性分析。

對本工程而言，綜合考慮壩址區巖體特性及建基面選擇結論，經計算分析，體形優化設計時基礎綜合變形模量取值見表3。

表3 拱壩基礎綜合變形模量

根據表2及分析成果，在體形初步成果的基礎上，對建基面巖體變形模量進行敏感性分析，浮動范圍以20%控制，主要工況包括：工況1—2，建基面巖體變形模量整體上、下浮動20%；工況3—4，左岸整體上、下浮動20%；工況5—6，右岸整體上、下浮動20%；工況7，考慮左岸Jef4影響范圍，713～740 m高程局部下浮20%。

考慮本工程地處高寒地帶，極限溫差、溫度荷載大，而對高拱壩而言拉應力一般對壩體應力起控制作用，因此，在建基面巖體變形模量敏感性分析時，計算采用“上游正常蓄水位+相應下游水位+泥沙壓力+自重+溫降”荷載組合（以下簡稱“正常+溫降”荷載組合），壩體位移、應力計算成果見表4。

表4 拱壩體形基礎變形模量敏感性分析計算成果

由計算結果分析可知，建基面巖體變形模量在擬定的20%范圍內浮動時，對壩體位移及應力均有一定的影響，其一般規律為：隨著變形模量增大，下游面主拉應力減小、主壓應力增大，上游面主拉應力增大、主壓應力減小，壩體位移分布規律一致，最大徑向位移呈減小趨勢；反之，規律相反。

在左右岸基礎巖體綜合變形模量浮動范圍內，壩體最大主拉應力、主壓應力值均滿足設計控制標準，位移分布規律及數值符合常規，說明計算采用的變形模量使拱壩體形具有較強的適應性，能夠保證此參數在一定范圍內浮動時拱壩體形保持不變。

6 壩體混凝土彈性模量參數選擇及敏感性分析

本工程骨料采用料場加工料，其巖性為灰巖。按照規范要求，拱壩應力分析應采用壩體混凝土持續彈性模量進行計算，其值可采用混凝土試件瞬時彈性模量的0.6～0.7倍。國內拱壩設計時，壩體混凝土彈性模量取值一般在22～26GPa，如東莊拱壩22GPa、大崗山拱壩24 GPa、拉西瓦拱壩24 GPa、構皮灘拱壩25 GPa、溪洛渡拱壩26 GPa。參考國內工程經驗和規范要求，本工程采用值為22 GPa。

根據以上分析，在體形初步成果的基礎上，對壩體混凝土彈性模量進行敏感性分析，浮動范圍控制在20%左右，取壩體混凝土持續彈性模量下限值為19 GPa、上限值為25 GPa進行敏感性分析，計算采用“正常+溫降”荷載組合，壩體位移、應力計算成果見表5。

表5 拱壩體形混凝土彈性模量敏感性分析計算成果

由計算結果分析可知，壩體混凝土持續彈性模量在19～25 GPa浮動變化時，對拱壩壩體位移及應力均產生一定影響，其規律為：隨著壩體彈性模量增大，下游面主拉應力增大、主壓應力減小，上游面主拉應力、主壓應力均呈增大趨勢，壩體徑向位移分布規律一致，最大徑向位移呈減小趨勢；反之，規律相反。

在壩體彈性模量浮動范圍內，壩體最大主拉應力、主壓應力值均滿足設計控制標準，位移分布規律及數值符合常規，說明計算采用的彈性模量使拱壩體形具有較強的適應性，能夠保證此參數在一定范圍內浮動時拱壩體形保持不變。

7 壩體混凝土線脹系數選擇及敏感性分析

混凝土線脹系數與混凝土骨料巖性、混凝土配合比、溫度變化及濕度狀態相關。因此，在拱壩體形設計時，其取值具有一定的不確定性，前期體形設計采用值與實際情況可能存在一定的差異。為了反映混凝土線脹系數的取值不確定性對壩體應力的影響，進行混凝土線脹系數敏感性分析是非常必要的。本工程體形優化設計時，線脹系數取0.8×10-5/℃。參考國內外工程計算參數，取壩體混凝土線脹系數下限值為0.60×10-5/℃、上限值為1.00×10-5/℃進行敏感性分析，計算采用“正常+溫降”荷載組合，壩體位移、應力計算成果見表6。

表6 拱壩體形混凝土線脹系數敏感性分析計算成果

由計算結果分析可知，壩體混凝土線脹系數在（0.60×10-5～1.0×10-5）/℃浮動變化，對壩體位移和應力均產生一定的影響，其規律為：隨著線脹系數增大，下游面主拉應力、主壓應力呈增大趨勢，上游面主拉應力、主壓應力亦呈增大趨勢，壩體徑向位移分布規律一致，最大徑向位移呈減小趨勢；反之，規律相反。

在混凝土線脹系數浮動范圍內，壩體最大主拉應力、主壓應力值均滿足設計控制標準，位移分布規律及數值符合常規，說明計算采用的線脹系數使拱壩體形具有較強的適應性，能夠保證此參數在一定范圍內浮動時拱壩體形保持不變。

8 結論

拱壩體形優化設計是一個重要課題，涉及到建基面選擇、壩體應力、壩肩穩定等各個方面，是關系拱壩設計成功與否的重要環節。以新疆某167.5 m高拱壩為例，對建基面巖體變形模量、壩體混凝土彈性模量和線脹系數等主要影響體形選擇的參數進行論證和敏感性分析，保證所推薦的拱壩體形能適應主要參數在一定范圍內的變化，這對減少拱壩體形優化設計的反復工作量、提高拱壩的適應性有重要意義，并可推廣至其它拱壩體形優化設計中。

[1]王仁坤，林鵬.溪洛渡特高拱壩建基面嵌深優化的分析與評價[J].巖石力學與工程學報，2008（10）：2010-2018.

[2]SL 282-2003，混凝土拱壩設計規范[S].

《浙江省河長制規定》將于10月1日起施行

2017年7月28日，浙江省第十二屆人民代表大會常務委員會第四十三次會議審議通過《浙江省河長制規定》，自2017年10月1日起施行。這是國內第一個省級層面河長制專項立法，標志著浙江省河長制工作有了全面的法律保障。

《規定》明確了縣級以上河長制工作機構及各級河長的工作職責，建立省級、市級、縣級、鄉級、村級五級河長體系。跨設區的市重點水域應當設立省級河長，各水域所在設區的市、縣（市、區）、鄉鎮（街道）、村（居）應當分級分段設立市級、縣級、鄉級、村級河長，各級河長名單應向社會公布。據省治水辦（河長辦）統計，截至目前，浙江省共有約4萬條河流及湖泊設立了57 533名河長。

（摘自2017年8月3日水利部網）

Study on Reasonable Parameters Selection for Foundation Rock and Body Concrete of High Arch Dam

CHI Shou-xu，WU Gui-lan，YU Hai-jiang，WANG Pei-jue，FAN Rui-peng
（China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China）

Arch dam shape optimization design is an important issue.It is now common practice to use the trial load meth?od.The main parameters include mechanics and thermal parameters of foundation rock and dam body concrete，and its ac?curacy is directly related to the rationality of arch dam design.In this dissertation，a 167.5m high arch dam in cold area is taken as an example，and the sensitivity analysis method is used to study the rationality of the main parameters of the foun?dation rock and the dam body concrete to ensure the rationality of arch dam shape design.

arch dam；shape design；sensitivity analysis

TV642.4

A

1004-7328（2017）05-0020-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.007

2017—06—28

遲守旭（1977—），男，碩士，高級工程師，主要從事水工建筑物設計工作。