周公宅水库混凝土双曲拱坝体形优化设计.pdf

周 公 宅 水 库 混 凝 土 双 曲 拱 坝 体 形 优 化 设 计 徐建军，徐建荣，何明杰 ( 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014) 摘要：周公宅水库犬坝为抛物线形混凝土双曲拱坝。最大坝高1255m 。根据该工程河谷宽、温差大、水位变幅 大的特点，对拱坝的前倾度、拱冠梁剖面厚度、拱圈中心角、拱端加厚等方面进行了研究，采用拱梁分载法和线弹 性有限元法对拱坝进行了全面的体形优化和分析，取得了适应周公宅坝址的优良拱坝体形。 关键词：双曲拱坝；有限元分析；体形优化设计；周公宅水库 ShapeOpt i m i zat i onofZhougongzhaiD oubl eC ur vat ur eA r chD am X uJi anjun，X uJi anr ong，HeM i ngj ie ( H ydroChi naH uadongEngineeri ngC orpor ati on，H angzhouZhej iang310014) A bst ract ：Zhougongzhai concre t edoubl ecur vat urear chdami si nparabol i cs hapew i t hm axi m umhei ghtof1255m The frontl eansect i ont hi cknessoft hecl owncant i l eve r, cen”al ansle ofarch ri ng andarchabutm entt hi cknessoft hedamw er e st udi edaft er consi deri ng t hes itecondi t i onsofwiderri ver val l ey，l 且r sertem perature di fferenceand l arger w at erl evel r ange Thef inal shape ofdamisdet erm i nedby us ing archca nt i l everm et hodandl i nearelast icf ini t eelem entm ethodf or anal ysi s andopti m i zat i on K eyW or ds：doubl ecurvedarchdam ；fi ni t eelem entanal ysis；shapeoptim i zati on；Zhougongzhai R eservoi r 中图分类号：TV 64242(255、 文献标识码：A 文章编号：05599342( 2010)08-0031- -04 1工程概况 周公宅水库坝址位于浙江省宁波市鄞州区章水 镇周公宅村附近所处流域为甬江奉化江上的支流 樟溪距宁波市约51km 。离下游皎口水库约15 km 。坝址以上控制流域面积132km 2，水库总库容 112亿m 3，电站装机2x63M W ，具有供水、防洪 结合发电等综合利用效益。 周公宅水库为二等中型工程。水利枢纽主要由 拦河坝、泄洪及放空(水)建筑物、引水隧洞及发 电厂房等组成。拦河坝采用抛物线形混凝土双曲拱 坝，最大坝高1255m ，大坝为2级建筑物，按500 年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。坝址地震 基本烈度为度。 2拱坝建基面的确定 坝址河谷深切呈“V ”字形。两岸山体雄厚， 地形基本对称，地形坡度35045。；般(125m 高 程)河面宽3540m ：正常蓄水位233m 时河谷宽 340m 。天然河谷宽高比为292。 坝址出露的主要地层为中生界侏罗系晶屑玻屑 熔结凝灰岩(J3d)、蚀变岩(J3d(s)，局部岩脉侵 人，及少量第四系冲洪积和残坡积物。熔结凝灰岩 致密坚硬。抗风化能力强，岩体风化浅薄，局部受 断裂构造影响风化相对较深。出露基岩多为弱风化 岩，部分为微风化岩，全强风化岩仅局部分布，一 般厚13In。局部较厚，为510m 。弱风化岩下限 埋深为：左岸180m 高程以上5m 左右以下8一12 m ；右岸180m 高程以上2- 6m ，以下616m 。局 部达26i n。河床清除漂卵砾石后即为微风化岩。相 对隔水层顶板(qlLu) 埋藏一般较浅。 根据坝肩岩体物理力学特征和对其承载能力的 收稿日期：2009-08埘 作者简介：徐建军( 1972-) ，男，浙江海盐人，教授级高工。一 级注册结构工程师从事水电工程设计工作 W aterPow erVoL36No8阿 罨二i： 二翻竺：竺：=： 分析研究。拟定拱坝中、下部建基面采用微风化岩 体对于近坝顶的上部和其他部位的局部基础，适 当利用弱风化的下段岩体。按上述标准，并经拱座 稳定复核。确定拱坝两岸坝肩嵌入深度和河床建基 面高程。拱坝河床建基面高程为1150m ，各高程拱 圈两岸嵌入山体的深度见表1。通过分析，坝基综合 变形模量分5个区。综合变形模量为15O 一170GPa。 表1拱坝各高程拱圈两岸嵌深 rn 高程 240226 208 190170155 140 125 左岸嵌深 65 6840 189230 365 29020 右岸嵌深 85122165209290289285125 3拱坝体形设计条件的特点 (1)地形条件。周公宅坝址为深切“V ”字形 河谷，两岸地形基本对称，地形坡度为35。一45。 天然河谷宽高比达292。为典型的宽河谷地形。 ( 2) 气温。坝址多年平均气温163。月平均 最高气温28。出现在7月，月平均最低气温48 ，出现在1月，气温年变幅较大。水温年变幅稍 小于气温年变幅。 (3)水库运行条件。周公宅水库正常蓄水位 233。0m ，设计洪水位( 尸=0。2)23957m ，坝顶高 程24000m 。由于水库主要功能为供水，供水死水 位很低。为1470m 。正常消落深度和死水位到设计 洪水位的距离分别占坝高的685和738，运行 工况十分不利。正常消落深度86ITI ，超过已建的龙 羊峡水库( 70m )和康特拉水库( 80m )，更重要 的是其最大消落深度占坝高的738。远大于一般 拱坝(2040)。 4拱坝体形优化设计 41拱冠梁前倾度分析 针对拱坝体形设计条件的特点首先进行拱冠 梁前倾度的分析比较。由于周公宅坝址河谷较宽。 拱坝河床段梁向作用明显，宽河谷地形的拱坝宜优 先考虑前倾体形。例如同属宽河谷的紧水滩拱坝。 对周公宅拱坝拱冠梁前倾度的分析表明采用前倾 的体形对上游坝踵有压紧的趋势明显减小了上游 坝踵拉应力。但由于水库供水死水位非常低，水位 最大消落深度占坝高的738，在死水位+温升工况 下。拱坝向上游侧位移大坝下游低高程部位会 产生较大的拉应力。因此与一般发电水库不同。 周公宅水库死水位+温升工况也成为拱坝体形设计 的主要控制工况，拱坝体形也不宜过于前倾。通 过多个案的比较，周公宅拱坝采用适度前倾的 拱冠梁剖面。 固W at erPow erV01368 42拱冠梁剖面厚度优化(增加中上部厚度。减小 底部厚度) 根据对初步设计阶段拱坝体形的分析发现，由 于周公宅坝址河谷较宽按常规拱坝剖面设计的拱 坝中上部拱的刚度较小承担水推力的份额较小， 总体应力水平较高的部位集中在坝体中下部，未能 充分发挥中上部拱圈的作用。招标阶段根据以上分 析并结合节省混凝土量的要求。拟定了4种拱冠梁 剖面方案，分析拱冠梁剖面对拱坝体形的影响。4 个方案对应的坝体混凝土量依次递减。4个拱冠梁 剖面变化趋势为拱坝底宽从2874m 逐渐变为260 I TI ；根据宽河谷拱坝的特点，拱冠梁中上部依次适 当加厚。以增加中上部拱圈的作用。各方案拱冠梁 剖面见图l。 里24Q 鲤 ,722600 里2Q 8艘 口19000 v17000 v15500 x714000 里lZj：螋 里ll：Q Q 方案1(初级)方案2 方案3方案4 图1 4个方案拱冠梁剖面示意( 单位：m ) 通过对4个不同拱冠梁剖面拱坝体形的应力应 变分析表明，从方案1方案4，随着拱冠梁剖面的 逐渐减薄坝体混凝土量依次递减。坝体整体应力 水平逐步提高趋向规范允许值。同时，随着拱坝 中上部拱圈厚度的增加，加大了中上部拱圈的刚度， 增强了中上部拱的作用。使中上部拱圈承担更多的 水推力。方案4拱坝总体应力分布更均衡，较充分 地发挥了各高程拱圈的整体作用。 43拱圈中心角优化f 增大中上部拱圈中心角) 通常双曲拱坝拱圈中心角在拱作用力较强的中 部为最大，上部拱圈由于拱作用力有限，中心角相 对较小。如前所述，周公宅坝址很宽，需要增加中 上部拱圈的拱作用力。另外，坝址岩性主要为熔结 凝灰岩，岩体致密坚硬，抗风化能力强，岩体风化 浅薄，坝址断层中等发育，但规模均较小。无结构 面构成的影响坝肩稳定的楔形体，坝肩稳定条件好。 因此。可充分利用坝址坝肩稳定条件好的特点加 大中上部拱圈的中心角，拱坝16002400m 高程 (近23坝高) 拱圈中心角均保持在90。960范围内。 44拱端加厚 拱坝在基础处受到强烈的约束，产生很大的弯 三：三：竺=兰三：!：竺兰兰竺J二竺：三：竺：竺：兰兰：!墨誓i ；=j li 一 剪扭作用，应力条件十分复杂。周公宅双曲拱坝较 薄，拱端加厚有利于改善靠近基础部位的坝体的应 力状态，并改善坝肩的受力条件。拱坝中部拱圈的 荷载和应力均较大，是拱端加厚的主要部位，加厚 的幅度最大，加厚比例约为2030；上部拱圈由 于拱作用力相对较弱。应力也较小主要受拱的刚 度控制。故拱端一般不加厚或少加厚：下部拱圈拱 作用力较小，厚度同时受梁向要求，本来就比较厚， 因此相对加厚较小，加厚比例为10一15。 45设计体形优化 拱坝体形采用抛物线形双曲拱坝属于变曲率 拱坝。可以通过调整拱圈各部位的曲率，来解决应 力与稳定之间的矛盾。在弯矩较大的拱冠部位加大 曲率。在弯矩较小的拱座附近减小曲率，这样既可 改善坝体应力状态，又可使拱端推力向两岸山体偏 转，有利于增强拱座的稳定性。 根据确定的拱坝建基面和体形优化思路经拱 梁分载法和三维线弹性有限元法优化确定了周公 宅拱坝的最终体形，拱坝体形参数见表2。大坝坝 顶高程2400m 。实际开挖后坝底高程1145m ，最 大坝高1255i n。拱冠梁顶宽672In，底宽2625 Il l，拱冠梁厚高比021坝顶中心线弧长4573m 。 弧高比366，最大中心角9602。，坝体混凝土量579l 万m 3，拱坝柔度系数( 中面) 1850。优化后的拱坝 表2拱坝体形的主要参数 混凝土体积比初步设计阶段减少约33万m ，。开挖 量减少2500m 3，按可行性研究阶段单价计算，可 节约投资约1230万元。 5拱梁分载法拱坝应力分析 拱梁分载法拱坝应力分析计算采用浙江大学编 制的A D A O 拱坝分析及优化程序进行。经计算，各 种荷载组合的拱坝应力应变成果见表3。从计算成 果可知，在各种工况下，坝体上、下游面的最大主 应力值均小于应力控制标准。坝体应力分布均匀。 满足规范要求。 6线弹性有限元拱坝应力分析 采用三维线弹性有限元法，考虑分期封拱的施 工过程，分析了不同工况下周公宅拱坝的变形和应 力分布。计算分析采用理想线弹性材料模型模拟基 岩和坝体材料。8结点六面体等参单元与6结点五 面体等参单元模拟坝体、基岩，夹层单元模拟断层。 经计算在正常蓄水位+温降、校核洪水位+温 升工况时坝体最大主拉应力均出现在拱冠梁底上 游面(坝踵)。量值分别为318M Pa和360M Pa； 坝体最大主压应力均出现在拱冠梁底下游面(坝 趾)。量值分别为一769M Pa和一878M Pa。在死水 位+温升工况时。坝体主拉应力量值较小。最大主拉 应力出现于中低高程拱圈下游面拱端，量值为102 M Pa：坝体主压应力量值总体较小仅在拱冠梁底 上游面产生了较大的主压应力，量值为一655M Pa。 各工况下坝体的应力与应变符合拱坝的一般规律。 高应力区主要集中在坝基附近120坝高范围内。应 力分布连续，坝体处于弹性工作状态。典型工况拱 坝应力分布见图2。 由以上分析可知。坝体主应力由高水位工况控 制，最大主拉应力均出现在拱冠梁底上游面(坝 踵)，最大主压应力均出现在拱冠梁底下游面(坝 趾) ，有限元主应力量值较大。反映拱坝低高程坝基 附近局部范围存在应力集中现象。根据SL282 2003混凝土拱坝设计规范的规定，用有限元法 表3坝体应力应变计算成果 注：1) 表中【m RnC】表示拱坝第m 层拱从拱冠粱向有岸第n条粱，rl 为负值表示左岸，n为0表示拱冠梁，整个大坝共8拱17梁；2) 位移向下游为正。向上游为负。 W aterPow erV 0136No8固 Zi =互王j 竺：竺：=： a正常蓄水位+温降J：况上游面第一主应力 b正常蓄水位+温降1=况F游面第二主应力 c死水位+温升I：况卜游面第三主应力 ；：= ： ；i ，!# I 碍 d死水位+温升T况F游面第一主应力 图2线弹性有限元法拱坝应力分布(单位：M Pa) 计算时应补充计算“有限元等效应力”。经计算， 在正常蓄水位+温降、校核洪水位+温升工况时，拱 坝坝踵最大等效主拉应力分别为184M Pa和230 M Pa。稍超过规范规定的相应工况允许等效拉应力 标准( 150M Pa和20M Pa) ，但与东江、李家峡、 江日等同类工程相比。处于同一应力水平。拱坝坝 趾最大等效主压应力分别为418M Pa和538M Pa 满足规范规定的相应工况C25混凝土允许等效压应 力标准(625M Pa和714M Pa)。 7结论 周公宅水库工程根据河谷宽、温差大、水位变 幅大的特点设计了适度前倾的拱冠梁剖面，增加 拱坝中上部坝厚减小底部厚度。并利用拱肩稳定 条件好的特点，增大了中上部拱圈中心角，拱端适 当加厚，采用拱梁分载法和线弹性有限元法对混凝 土双曲拱坝进行全面的体形优化和分析，取得了适 应周公宅坝址的优良拱坝体形节省了投资。该拱 坝于2003年12月开始浇筑混凝土2006年5月施 工完成，目前水库已蓄水投产发电。 参考文献： 1李瓒，陈兴华，郑建波，等混凝土拱坝设计M 北京：中国电 力出版社，2000 2SL 282- 2003混凝土拱坝设计规范I S (责任编辑常青) +-+-+-+-+-+_+一-+-+-+-+-+-+-+斗+_一+-+一-+-+ 广告目次目目，入 基康仪器(北京)有限公司封面 成都安特力建筑工程有限公司封二 郑州机械研究所前插1 广州蓄能水电厂前插2 国网电力科学研究院南京南瑞集团公司 前插3 北京华科同安监控技术有限公司前插4、5 上海申瑞电力科技股份有限公司前插6 南京科明自动化设备有限公司前插7 深圳市国立智能电力科技有限公司前插8 四川川润股份有限公司前插9 北京奥技异电气技术研究所前插10 柳州欧维姆机械股份有限公司前插11 北京中水科海利工程技术有限公司 前插12、13 圜W at erPower V 0136N o8 杭州国电大坝安全工程有限公司o前插14 挪曼尔特(上海)贸易有限公司前插15 株洲南方阀门股份有限公司前插16 山西黄腾化工有限公司后插1 中国水利水电第七工程局有限公司 后插25 北京木联能软件技术有限公司后插6 2010第十三届国际电力设备及技术展览会 后插7 斯凯孚爱科诺莫斯(青岛)密封技术有限公司 后插8 龙游五强混凝土外加剂有限责任公司封三 西安联能自动化工程有限责任公司封底 成都岩锋科技发展有限责任公司内104 西安联能自动化工程有限责任公司内105 姥圩 强榴 i _-