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三河口水利枢纽碾压混凝土拱坝体形优化 摘要 关键词 1工程概 况 赵玮 ( 陕西省水利 电力勘测设计研 究院 陕西 西安7 1 0 0 0 1 ) 三河口水利枢纽碾压混凝土拱坝高度大、 工程布置复杂， 结合地形地质条件， 对抛物线、 对数螺 线、 椭圆、 二次曲线、 三心圆和双 曲线进行了优化比选研究， 并参考参照国内工程经验， 综合比 选， 坝体设计参数少， 体型相对简单， 方便施工， 坝体厚度、 位移、 拉应力范围等较优的抛物线拱 坝方案， 为类似工程设计提供了有价值的参考。 高拱坝； 体型设计； 优化选择， 碾压混凝土； 三河口水利枢纽 中图分类号： T V 6 5 3 文献标识码： A 三河 口水利枢纽是陕西省内跨流域调水工 程一 引汉 济渭工 程 的两个水 源工程 之一 ， 是 整个引汉济渭工程的调蓄中枢 ， 工程等别为 I等工程 ， 工程 规模为大 ( 一 ) 型 。拦河大坝为 碾压 昆凝土拱 坝，最大坝高 1 4 5 m，坝底高程 5 0 1 m，坝 顶 高 程 6 4 6 m ；水 库 正 常 蓄 水 位 6 4 3 0 m， 水库总库容 7 1 亿 ，调节库容 6 5 亿 m 3 ； 设计引水流量 7 0 ，下游生态放水流量 2 7 1 m 3 s ，坝后抽水流量 1 8 m ，发电引水 7 2 7 1 m 3 s ， 安装 2台单机 2 0 M w常规水轮发 电 机组 和 2台 1 2 Mw可逆式 机组 ，总装 机容量 6 4 Mw；枢 纽 5 0 0年 遇设 计洪 水 下泄 流量 6 6 1 0 m s ， 2 0 0 0年一遇校核 洪水下泄流量 7 5 8 0 m3 s 。大 坝地震设 防烈度 为度 ， 相应 的 地震动峰值加速度 为 0 1 4 6 g 。 2坝址地质条件 三 河 口水利枢纽地处属秦 岭山脉典 型峡 谷 区， 坝址河谷宽度 5 0 m1 0 0 m之间 ， 地形 比 较 完整 ， 两岸基本 对称 ， 河谷 为横 向谷 ， 两 岸 基岩大多裸露， 边坡基本稳定。河床覆盖层卵 石层 厚 6 5 m7 2 m， 河谷 中心最 大厚度 l 1 m， 两岸崩坡堆积层厚 0 5 m 5 5 m。强风化带水 平 深 度 ：左坝 肩 7 5 m1 2 m，右坝 肩 5 m 1 0 m， 河床 l m2 m， 两坝肩卸荷带深度小于强 风化下限 m， 坝址河谷宽高比2 8 5 ， 坝址具备 修建高拱坝的地质条件。 坝基岩体上部 以变 质砂岩为 主 ，下部为 结晶灰岩 。基 岩面 以下强风化岩体下 限深度 l m2 m， 属 B 2类 坝基工程岩体 ； 弱风化上 带下限深度 6 m1 2 m，坝 基岩体工程地质分 类属 A ： 类 ；弱风 化下带 下限 深度 1 0 0 m 1 6 0 m， 坝基岩体工程地质 分类属 A ， 类 ； 微风 化岩体以次块状结构为主 ，属 A 类坝基工程 岩体 。 左 坝肩高程 6 5 5 m以下表 面覆盖 崩坡积 碎石土， 厚度 0 5 m 7 m 。 下伏基岩主要由变质 砂岩及结晶灰岩组成 ， 局部夹透镜体状伟晶岩 脉 。卸荷带水平宽度一般小 于 1 4 m， 强风化岩 体下 限水平宽度 1 0 m1 9 m， 垂 直深度 1 2 m 1 8 m， 岩体属 B ： 类 坝基 工程岩体 ； 高程 5 7 7 m 以上 ，弱风化岩体下限水平宽 度 4 0 m5 3 m， 垂 直深度 3 0 m 4 0 m，属 A 类 坝基 工程 岩 体； 高程 5 7 7 0 m以下， 弱风化上带岩体完整性 较差 ，下限水平宽度 3 2 m 4 6 m，垂直深度 1 6 m 2 5 m ， 属 A 类坝基工程岩体 ， 弱风化下 带岩体较完整，下限水平宽度 4 3 m 5 0 m， 垂 直深度 2 5 m3 1 m，属 Am 。 类 坝基 工程岩体 ； 微风化岩体较完整， 以次块状结构为主， 属A 类坝基工程岩体 。 右坝肩基岩裸露 ， 主要 由变质砂岩组 成 ， 局部为结晶灰岩，夹透镜状伟晶岩脉及石英 脉。卸荷带水平宽度小于 1 3 m， 强风化岩体下 限水平宽度 8 m1 9 m，垂直深度 1 0 m1 5 m， 岩体属 B 。 类坝基工程岩体 ； 弱风化上带岩体 下限水 平宽 度 1 7 m4 1 m，垂 直深 度 2 2 m 3 6 m， 属 A 类坝基工程岩体； 弱风化下带岩 体下限水平宽度 2 4 m 6 5 m， 垂直深度 3 0 m 4 9 m， 岩体较完整， 属 A 类坝基工程岩体； 微 风化岩体较完整， 属 A 类坝基工程岩体。 3拱 坝体 型优化 原则 和方 法 目前， 国际国内拱坝设计多采用变厚度、 非圆形的水平剖面，以改善坝体的应力和稳 定 ， 出现较多的有拱 圈线性有两 圆心 ， 三心圆 、 抛物线 、 对数螺线、 椭圆和统一二次曲线等类 型 。针对 每个拱坝坝址 的地形 、 地质条件 ， 以 及水文条件 、 工程任务 和施 工条件等的不 同 ， 优化选择适合于本工程的拱坝体型是拱坝设 计必须要进行的重点工作 。 3 1 优化原则 三河 口水利枢纽拱坝河谷宽度较大 ， 地质 条件复杂，枢纽泄洪流量大，泄洪功率高达 7 9 2 3 Mw ， 居 国内乃至世界碾压 混凝土拱坝之 首， 工程任务功能多， 枢纽是整个陕西省引汉 济渭工程 的调蓄 中心 ， 具有调蓄水量 、 引水 、 发 电 、 抽水和防洪 等多项任务 ， 一旦工程 出现 问 题 ， 影响巨大 。 三河口水利枢纽枢纽建筑物 多 、 布置难度 大， 拱坝承受总水推力和体积较大 ， 拱坝优化 工作尤为重要 和复杂 。因此 ， 设计考虑拱坝体 型优化 的原则是结构安全可靠 、技术成熟 、 拱 圈线型参数简单 、 方便碾压 昆凝土施 工及枢纽 建筑物布置协调。 3 2优化方法 三河 口水利枢 纽拱坝优化采 用中 国水利 水电科学研究院 A D A S O拱坝结构计算分析 优化程序 ，拱坝应 力分析用五 向调整多拱梁 法， 可以考虑地震荷载， 进行动力优化， 使坝体 静应力及动 +静应力同时满足设计要求 ， 动 应力分析采用振型分解反应谱法或拟静力法。 优化的目 标函数是坝体体积， 设计变量包括拱 冠梁曲线 、 拱冠及拱端 的厚度 、 曲率半径 等 ， 约 束函数包括坝体应力 、 倒悬 、 中心角、 施工应 力、 保凸等， 程序运用非线性规划方法， 搜索目 标函数的极值点。 通过对不同拱固线型的计算 分析 ， 得到不同拱 圈线型拱坝的优化体型。再 根据各线性的体型参数 ，坝体体积和厚度 ， 以 及对坝肩岩体的推力 和和推理角 、位移大小 、 坝体结构应力状态等，依据优化原则综合考 虑， 确定优化的拱坝体型。 4优化体型综合比选 国内外拱坝拱圈线型常用的有抛物线 、 椭 圆、 对数螺线、 二次曲线、 混合曲线、 三心圆、 双 心圆和单心 圆等 ，究竟哪一种线 型最适合 ， 我 国“ 八五” 和“ 九五” 国家科技攻关研究项 目 经过多年研究， 从数学上严格证明了“ 等厚 拱不如变厚拱， 等曲率拱不如变曲率拱” 的 推论 ， 并给 出了拱 坝拱 圈线型的理论排序 ， 如下表 4 一 l 所示 。 表 4 1 拱坝拱圈线型 理论排序 排序 线型 I 1 混 合曲线 2 二 次曲线 对数螺线 3 椭 圆 、 双曲线 三心 圆 4 抛物线 5 双心圆 6 单心 圆 针对三河 口水 利枢纽拱坝 ，共进 行了 抛 物线 、 对 数螺 线 、 椭 圆 、 二次 曲线 、 三心 圆、 双曲线六种线型的拱坝体形优化， 从拱 坝坝体体积 、 坝体厚度、 位移与应力 、 推力 与推力角等方面进行分析比较。 限于篇幅， 以下就控制工况：正常 +温降和正常 + 温 升进行比较， 其余工况类同。 4 1 坝体体积 上表 4 - 2列 出了不同拱 圈线型 的拱坝 坝体体积， 从表中可看出， 坝体体积从大到 小的排 序为双 曲线 、 抛 物线 、 三心 圆 、 对数 螺线和椭 圆和二次曲线 。 4 2 坝体厚度 上表 4 3列 出了不同拱圈线型 的拱坝 最大厚度及坝肩处厚度超过 3 5 m的拱梁节 点数 ， 厚度愈大 ， 坝体的开挖量愈大并 且对 混凝土施工浇筑能力要求愈高， 因此， 坝体 不要过厚。 从表中可看出， 除双曲线和抛物 线明显偏厚外 ，其他几种线 型的最大坝厚 差别很小，坝体厚度从优到劣的排序为双 曲线 、 抛物线 、 三心 圆 、 对数螺 线 、 椭圆 、 二 次 曲线。 由于双曲线拱坝坝体体积最大 、坝体 厚度最 厚 ， 拱 圈线型方 程复 杂 ， 因此 ， 对 三 河口水利枢纽拱坝， 双曲线拱圈线型舍去， 以下不再 比较双 曲线拱坝 。 4 3坝体位移 根据计算分析成果，拱坝最大径向位 移从小到大的排序为抛物线 、 椭 圆 、 对数螺 线 、 二次 曲线 、 三心 圆 ； 另外 ， 从位移分布 而 言 ，各种拱圈线型拱 坝的径 向位移分 布都 是基本对称的 。 4 4 坝体应力 不同拱圈线型的体形是在坝体最大应 力满足约束条件下进行设计的， 因此 ， 坝体 的最 大应 力值 都是 接 近或 等 于规 范允 许 值。 对应力， 主要比较不同拱圈线型坝体的 拉应力 范围。 根据计算结果 ， 各种线型拱坝上下游 面 的拉应 力 区分 布规 律相 同 ，上 游 面仅 在 左 右 拱 端 附 近有 很 小 范 围 的 拉 应 力 区 ，下游 面在 拱 坝 的底部 有 很小 范 围 的 拉应力区，是拱坝理想的上下游面拉应 力区分布 ；各种拱圈线型拱坝上下游面 拉应 力 区范 围差 别不 明显 ， 从 总体 上 看 ， 拉应 力 区范 围从 d , N 大 的排 序 为对 数螺 表 4 2 不同拱 圈线型 的拱坝坝体体积 、 、 线型 项 目 、 双曲线 抛物线 三心圆 对数螺线 椭圆 二次曲线 坝体体积( 万 m 3 ) 1 0 5 1 6 3 l O 5 1 0 1 9 5 1 5 2 9 5 0 2 8 9 4 6 3 6 9 4 4 6 8 百分比 1 1 1 _ 3 2 l 1 1 2 6 l 0 0 7 2 1 0 O 5 9 1 0 0 1 8 1 0 0 O O 表 4 3 不同拱圈线型 的拱坝坝体厚度 、 线型 项目 双曲 线 抛 物 线 三 心圆 对 数 螺 线 椭圆 二 次曲 线 最大厚度( m 1 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 坝厚 3 5 m的拱梁节点数 l 1 1 0 6 6 6 6 表 4 4 不 同线型的拱坝排序 编号 内容 抛物线 三心圆 对数螺线 椭圆 二次曲线 l 坝体体积 5 4 3 2 1 2 坝体厚度 1 2 3 4 5 3 位移 l 5 3 2 4 4 应力 2 5 1 3 4 5 推力与推力角 5 1 3 4 2 线 、 抛物线 、 椭圆、 二次曲线和三心圆 ； 从 坝体下部的拉应力范围看 ，抛物线要优 于对数 螺线 。 4 5推力 与推力角 为了从整体上评价不 同拱圈线型拱坝 对坝肩稳定的影响，计算出三河口拱坝在 5 2 1 m6 4 6 m高程范 围内左右拱端 X方 向 和 Y方 向的合力 ( 5 0 1 m高程为坝底高程 ， 此高 程坝肩推 力需考 虑坝底 建基 面影响 ， 此处不列入) ， 从而求 出总推力， 总推力与 X轴的夹角称之为总推力角， 显然， 总推力 和总推力角在整体上能较好地反映拱坝对 坝肩稳定 的影响 。 从力的平衡条件来看 ，拱 坝整体顺河 向( Y方 向) 的合力应该 等于总 水压 的 Y向 分力， 不同线型拱坝的顺河向f Y方向) 总的 合力都应该相等，因此拱坝 x向的合力愈 大，推力方向就愈指向山里，对稳定愈有 利。从计算结果看，抛物线的稳定条件较 差 ，其他几种线型 的稳定条 件差别相对较 小 ，坝肩抗滑稳定性能从优 到劣的顺序大 致为 三心 圆、 二次 曲线 、 对数 螺线 、 椭 圆和 抛物线；当然 ， 判断坝肩稳定是否满足要 求 ，最终应通过 坝肩抗 滑稳定计算分 析来 确定 。 4 6拱圈线型 比选 从以上5 个方面对不同拱圈线型的三 河 口拱坝进行 了 比较 ，其结果从优 到劣的 排 序汇总 于下表 ，表 中我们 用 2 、 2 、 3 、 4 、 5 来表示从优到劣 的排序 。 从 表 4 4中可 以看 出 ， 在 所列 出的 5 个方面， 各种线型互有优劣 ， 必须要具体 情况具体分析。对抛物线拱坝而言 ， 坝体 厚 度 和位 移都 是最 优 的 ，坝 体拉 应 力范 围 总体来 看排 在 第 2位 ，从 坝体 下 部拉 应力 范 围看也 是 最优 的 ，但 坝体 体 积偏 大， 增大 1 0万 m 左右 ， 投资增加幅度可 以接受 。 从我国碾压混凝土高拱坝工程实践 看 ，完建和正在建设 的云南万家 口子水 电 站 ( 坝 高 1 6 7 5 m) 、 贵 州大 花水 电站 ( 坝 高 1 3 4 5 0 m) ，湖 北 三 里 坪 水 电 站( 坝 高 1 4 1 m) 、 四川立州水电站( 坝高 1 3 2 m) 等均 采用抛物线拱坝 。因此 ， 在计算分析坝肩稳 定满足设计要求 的情 况下 ，三河 口水利 枢 纽选用抛 物线拱 坝是合适 的，设计 推荐三 河 口拱圈线型采用抛物线。 5拱坝优化推荐体形参数 根据 优化 计算分析成果 ，推荐 选用抛 C O O C ( 摘要 关键词 1山洪灾害状况 陇县山洪灾害防治非工程措施项目 刘 静 ( 陇县 水 利 局 陕 西 陇 县 7 2 1 2 0 0 ) 陇县 山洪灾害防治非工程措施项 目建设 涉及 2 3条小流域 、 1 5 个 乡镇 、 8 0个行政村、 1 7 4个 自然 村， 0 6 1 2 3万户 2 8 1 1 7万人。陇县 山洪灾害防治非工程措施项 目建设 的实施完成 ， 从根本 上达 到了以基层组织有效防御为主， 引导山区群众进行自防、 自救， 能够最大限度地减少人员伤亡， 减免经济损失， 改善和保护了生态环境。 对项 目建设过程中的做法和经验进行 了总结， 并对今后 工程 的安全运行和 管理提 出了意见和建议 。 山洪 灾害 防治 ； 非工程措施； 陇县 中图分类号 i 。 n ， 8 7 7 文献标识码 ： A 陇县位 于陕 西省宝鸡市西部边 陲 ，东连 千阳县、 南临宝鸡县， 西北部与甘肃张家川、 华 亭县为邻 共辖 1 5 个乡( 镇 ) 和 1 个管委会， 1 5 8个行政村( 居委会 ) ， 4 6 4个 自然村 5 5 5万 户 ， 总人 口 2 5 9 2万人。陇县属宝鸡市 的暴雨 高值高频 县 ， 境内千河横贯全县 ， 水系较为发 达， 支流、 河沟密布 ， 沟壑纵横， 气候变化异 常， 地形地貌和地质结构复杂， 山地高低起伏 变化大 ， 山洪 灾害频繁发生 ， 加 之缺乏对 山洪 灾害知识的宣传，使人们主动防灾避灾意识 不强， 以致在河边 、 山洪沟 口一带建房 、 搞开 发， 侵 占河道 ， 在河道管理范围内人为设障， 使河道行洪能力逐年萎缩。在非工程措施防 御上， 山洪灾害组织体系不完善 、 预警机制和 预警设施还 不健全 ，防御 山洪灾 害能力依然 脆弱 ， 更加加剧了山洪灾害损失 。近年连续发 生多起暴雨、 山洪灾害， 不仅给辖区内的重要 基础设施造成巨大损失，对威胁区人民生命 财产安全构 成严重威胁 ，而且对 自然生态环 境造成严重破坏 。经 山洪灾害普查 ， 陇县受 山 洪灾 害危险区涉及 2 3条小 流域 、 1 5个 乡镇 、 8 0个 行 政 村 、 1 7 4个 自 然 村 ， 0 6 1 2 3万 户 2 8 1 1 7万人 。2 0 1 0年 7月 2 2日下午 3时 一 2 5 日 上午 8 时， 陇县境内普降特大暴雨， 平均降 水 2 4 1 5 m m， 东 风镇 达 到 4 0 7 2 mm， 为 陇县 有 气象记录以来最强的一次降水 ，全县大小河 流 、 水库水势上涨 ， 千河洪峰流量达 1 0 5 0 m 3 s ， 冲毁千河 东风镇险段 、 北河 温水 镇险段 、 梨林 河险段等堤防 1 5处长 2 9 6 0 m，毁坏 县城供水 水源 3处 、 主管道 1 k m。 2山洪灾害 防治 非工程措 施项 目 简介 2 1 项目建设内容及功能 陇县 山洪灾害防治非工程 措施项 目建设 于 2 0 1 1 年 8 月 2 5日 拉开， 2 0 1 2年5月 2 8日 全面完成了计划下达的工程建设任务 ， 建立了 覆盖全县 山洪灾害易发 区科 学高效 的监测 预 警预报系统。 是完成安装 自 动雨量站 1 7 处、 简 易雨量站 2 3 0处 ， 自动水 位站 9处 ， 简易水 位站 7 9 处， 视频监控站 2 处， 为雨水情及时监 测预警预报开创了新局面。二是建设预警信 息发布设施 9 6处 ， 包括县级指挥 中心 1 处 、 镇 级预警 中心 1 5处 ， 建设 G S M无线广播 8 0处 ， 给所有威胁区镇、 村 、 组配备了简易防汛抢险 预警设备 ， 手摇报警器9 5 台， 手持扩音器 2 4 5 部， 铜锣 1 7 4面， 口哨 6 9 6个， 应急照明 2 4 5 台。印刷宣传手册 1 1 2万份，制作光碟 2 6 9 套 ， 明白卡 2 _ 8 万份， 制作宣传专栏 9 5 个 、 宣 传牌( 标语 ) 2 6 9 0 面 ， 宣传挂图4 4 8 0副， 制作 警示牌 5 0 8个 ， 为汛情科学有效快速传递奠定 了基础 。三是建成六要素 自动气象站 1 处 ， 安 装山洪灾害气象信息共享软件 ， 实现 了气象信 息共享 ， 为及时预知天气变 化做好科学防御提 供了方便。四是编制完成了县级预案 1 个， 镇 级 预案 1 3个 ， 8 O个 村级 等 防御 山洪 灾 害预 案 ， 为有效 防御突发性山洪灾害提供 了科学决 策依据 。 2 0 1 3年 7月 2 2日我县发生 的局地降 雨过程， 使普洛河水位猛涨， 由于监测准确， 预 警及时， 县、 镇及时转移了受山洪灾害威胁的 群众 ， 有效保障 了人民群众生命财产安全 。 2 2项 目建设情况 项 目管理单位陇县 防汛 抗旱指挥 部办公 室隶属陇县水利局 ， 是陇县山洪灾害防治非工 程 措施建设项 目法人 。法人机构设置 由技术 组 、 质量组 、 财务组及综合服务组 ， 项 目建成后 由陇县防汛抗旱 指挥 部办公室对工 程进行管 理运用 。 陇县 防汛抗旱指挥部办公室始终将安 全生产管理贯彻整个工程施工全过程 ， 工作人 物线拱坝 体型坝体拱冠 梁顶厚度 为 8 0 m ， 拱 冠梁底 4 0 0 m， 拱坝厚高 比 0 2 7 6 ， 上游 面最 大 倒悬 度 0 1 4 5 ， 下 游面最 大倒 悬度 0 1 6 6 ， 最 大 半 中心角 4 9 3 2 6 。( 6 0 2 0 m高程 ) ，最 大中心 角 9 8 3 7 7 。， ( 6 0 2 0 m高程) ， 坝体 昆 凝土体积 1 0 5 1 万 m 。 6结束语 通 过 对三 河 口水 利枢 纽 拱 坝选 用抛 物 线 、 对 数螺线 、 椭 圆 、 三心圆 、 二次 曲线 和双曲 线六种拱圈线型进行体形优化比选， 通过综合 比选， 设计推荐采用了坝体混凝土体积较大， 但坝体设计参数少， 体型相对简单， 方便施工， 坝体厚度、 位移、 拉应力范围等较优的抛物线 拱坝方案 。 抛物线拱坝 国内设 计实例多 ，具 有安全可 靠、 施工方便等特点， 具有其他拱坝线型不具 有 的优势 ， 可以为其他 工程拱坝设计提供有价 值的参考。陕西水利 参考文献 1 】 朱伯芳， 高季章， 陈祖煜， 厉 易生 拱坝设计 与研究f M1 ， 北京： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 2 2 I 李瓒、 陈兴华、 郑建波， 王光纶 混凝土拱坝 设计 MI ， 北京： 中国电力出版社 ， 2 0 0 0 3 陕西省引汉济渭工程 三河 12 水利枢纽碾压 混 凝土拱 坝体型优 化研 究f R1中国水利 水 电 科 学研 究院， 2 0 1 2 ( 责任编辑 ： 王晓 阳)