溪洛渡电站设计中的重大技术问题研究（下）

肖白云

3.3 坝体应力分析、

(1)应力控制标准 应力控制标准系根据《混凝土拱坝设计规范》和《水工建筑物抗震设计规范》的有关规定，以国内外高拱坝容许应力标准为基础，结合我国近期高拱坝的建设经验及溪洛渡拱坝工程特点，本着安全可靠、经济合理、施工方便等要求而确定的。溪洛渡拱坝应力分析以拱梁分载法为主。相配套的容许应力控制标准见表2和表3。

(2)坝体应力分析

坝体应力分析以多拱梁法为主，有限元法及模型试验为辅。通过对各种工况包括施下：期的坝体应力分析以及甚础特性等参数的敏感性分析，拱坝应力分布良好，应力水与二滩拱坝相当，不仅满足设汁要求，而且对基础变模的浮动具有较好的适应能力。坝身设有表孔、中孔后，对大坝整体应力分布从拱坝整体稳定无影响，仪导致孔口附近局部应力集中，通过配筋即可解决。大坝混凝土强度以R180 350控制。

采用拱梁分载法(9拱17梁)，在荷载基本组合工况和特殊荷载组合工况下，坝体应力位移汁算成果见表4、表5

从计算结果可知：

在基本组合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工况作用下，坝体最大径向位移12.6cm，坝基河床最大径向位移3.8Cm，坝体位移平顺光滑；坝休应力状态良好，坝体大部分处于受压状态，只在中部高程坝踵部位局部出现拉应力，最大主拉、主压应力值满足应力控制标准。说明抛物线体型设计符合要求。

在特殊荷载组合工况下，坝体应力满足应力控制标准，应力分布规律及最大位移、最大应力出现部位与基本组合相似，主要差别在于上游坝踵拉应力增大，增幅约30％。线弹性有限元法计算结果表明：坝体位移对称、均匀与拱梁分载法计算成果一致；坝体拉应力主要受上游面控制，从拉应力区分布及拉应力值综合判断，坝体拉应力满足设计要求；坝体压应力主要受下游面控制，从压力区分布及压应力值总和判断，坝体压应力满足设计要求。

3.4 坝肩稳定分析

从坝址区的地形地质分析，对拱坝坝肩稳定有利，主要表现为：河谷狭窄，地形完整对称，山体雄厚；坝肩出露的岩体为坚硬、完整的去武岩，具有较高的强度。坝肩岩体内无特定的陡倾角结构面发育，只有稀疏、短小、挤压紧密的陡倾角裂隙发育(其连通率<10％～20％)。对坝肩稳定不不利的因素是玄武岩内层间层内错动带较发育，错动带物质大多由坚硬的玄武岩角砾碎块组成，但大多挤压较紧密，是拱坝坝肩稳定控制性底滑面。

坝肩抗滑稳定分析以刚体极限平衡法为主，坝肩抗力休的侧滑面为一套极不发育的节理裂隙；底滑面为特定的层间层内错动带，倾角平缓，面有起伏，连续性较好。

按照地质勘探揭示的裂隙产状及层间层内错动带的产状、分布和位置，列出坝肩各种町能的滑移面组合，按规范要求，采用刚体极限平衡法进行坝肩稳定计算，结果见表6。

计算结果表明，纯摩、剪摩安全系数均达到并超过规范要求，稳定性较好。

除此之外，采用目前国内的多种计算程序进行静、动荷载作用下的坝体应力分析、拱座稳定分析和大坝的地震反应分析，计算结果表明：在不同荷载组合工况下，拱座基本上无不良应力分布，拱坝应力分布较为理想；左右岸拱肩的稳定安全系数满足要求；坝体设计符合地震设防要求。

3.5 拱坝抗震设计

溪洛渡水电站位于南北向的峨边一金阳断裂，北东向莲峰断裂及北西向马边一盐津隐伏断裂带所围限的雷波一永善三角形块体之中南部，块体面积约1 600km2，断裂不发育，具有良好的稳定性。坝址区地震危险性主要自块体东部马边地震带强震的波及影响。1989～1990年国家地震局对溪洛渡水电站进行了地震基本烈度复核和地震危险性分析，坝址区地震基本烈度为Ⅷ度，相应的基岩水平峰值加速度为0.18g；100年超越概率0.02时，基岩水平峰值加速度0.32g。总库容l 26.7亿m3，最大坝高278m，溪洛渡混凝土双曲拱坝坝顶高程610m，坝高超过世界上最高的格鲁吉亚英古里坝，溪洛渡拱坝、英古里拱坝和小湾拱坝都是建在基本烈度Ⅷ度的高地震区的特高拱坝。根据《水工建筑物抗震设计规范》 (DL5073—2000)规定，拱坝抗震设计类别为甲类。由于坝高大于250m，其抗震安全性须进行专门研究。

按现行设计规范要求，进行如下计算分析：①动力拱梁分载法进行拱坝强度动力分析；②线弹性有限元反应谱法进行拱坝强度动力分析；③线弹性有限元时程法进行拱坝强度动力分析；④采用刚性极限平衡法和刚体弹簧元法进行拱坝坝肩动力稳定分析。

围绕以下几个问题开展专题研究：

①坝体横缝张开对坝体动力反应的影响：在强震作用下，拱坝中、上部会产生很大的拱向拉应力，抵消静态压应力的拉应力，将使基本不能抗拉的横缝张开，并随着突变的地震作用而反复开合，使坝体应力重分布，拱向应力显著降低，拱坝的强度反应成为一个复杂的三维边界接触的非线性动力问题，直接关系到抗震安全性的评价，因此研究了坝体横缝张开对坝体动力反应的影响；②地基辐射阻尼对坝体动力反应的影响：拱坝在地震作用的过程中，存在波动能量向远域地基的、辐射。人为截断地基边界，造成截断边界上波的反射作用，加大了拱坝动力反应。因此，在遭遇强震时应考虑波动能量向远域地基逸散的辐射阻尼影响；③地震动非均匀输入对坝体动力反应的影响：采用柯依纳波作为输入地震波，分析地震运动沿坝的相差幅差、分析对拱坝动力反应的影响；④综合考虑地基辐射阻尼，坝体横缝张开对坝体动力反应的影响；⑤动力模型试验，模型坝体模拟了横缝布置并设置人工阻尼边界。

拱坝抗震设计的各项研究，均采用目前国内外先进的计算方法和模型试验手段，结合工程类比进行了全面的分析和科技攻关。研究工作联合了国内高水平的科研单位、大专院校及知名专家共同完成。计算研究及模型试验成果表明，溪洛渡高拱坝在遭遇设防烈度地震时，其强度及稳定性均能满足抗震设计要求，主要结论如下：

(1)大坝自振频率相对较低，呈现出各阶模态分布密集的特点。在正常蓄水位及低水位运行时，大坝第一阶振型呈反对称，第二、三阶振型呈正对称。正常蓄水位时，大坝基频1.18～1.25Hz，基本周期0.80～0.85s。

(2)采用拱梁分载反应谱法和线弹性有限元反应谱法的分析结果基本一致，仅数值上有一定的差异。坝体压应力满足设计要求，有一定的安全裕度。坝体的高拉应力区集中出现在坝体中上部，由地震时的拱向拉应力产生。在正常蓄水位情况，拉应力值超过标准的坝体面积与坝体总面积之比〈0.4％，低水位时其比值<5％。

(3)反应谱作用下的地震反应与人工波作用下的计算结果基本相似。输入不同的地震时间历程，对动应力的分布规律影响不大。

(4)地基辐射阻尼对动应力的分布规律影响不大，但拱坝地震反应显著降低。最大拱向应力值减小25％～40％，最大梁向应力值减小25％～50％。

(5)地震运动幅差相差对坝体动应力综合影响不显著。

(6)强震作用下，坝体横缝张开，坝体应力重分布，顶部拱冠梁附近的高拉应力被释放。正常蓄水位及低水位运行时原出现高拉应力部位的拉应力远小于应力控制标准。综合高拉应力区分布范围及应力集中影响区以外的坝体应力值，坝体应力满足设计要求。如考虑坝体材料的非线性，则消除了上游坝踵出现的局部应力集中现象，拉应力满足应力控制标准。

(7)设计地震作用下，坝踵出现局部开裂，计算深度〈5m。裂缝相对稳定，大坝整体稳定能够得到保证。

(8)模型试验表明，设计地震时，坝体最大应力不超过坝体材料强度控制标准。模型坝在3.9倍设计地震时发生损伤，5.2倍设计地震时左右坝肩附近由显著开裂迹象，其它部位仍尤可见损伤。坝体发生明显损伤迹象之后，其震后静承载能力末见异常，表明拱坝自身有优异的抗震性能。

(9)采用刚体极限平衡法及刚体弹簧元法进行的坝肩动力稳定计算分析表明，坝肩动力稳定满足设计要求。

(10)按照坝体混凝土分区方案，在拱冠梁附近中上部区域及坝基附近区域采用180d龄期抗压强度为36MPa的混凝土，其动、静迭加的抗压、抗拉允许应力分别为17.7MPa及3.3MPa，计算及模型试验成果均表明，拱坝强度满足抗震设计要求。

在强震作用下，横缝的最大开度不大于10mm，不会导致横缝间止水破坏，从这一角度分析，勿需设置抗震钢筋来保证大坝的整体性。

3.6 泄洪消能

金沙扛：径流丰沛，洪水峰高量大，洪水过程较长，洪水过程线多呈复峰型。坝址处多年平均流量4 620m3／s，年径流

量1 460亿m，相当于黄河径流量的3倍，水库正常蓄水位以下库容虽有115.7亿m3，但与年径流量相比，水库库容系数较小，调蓄洪水能力有限，每年均要频繁泄洪。

电站千年一遇洪水洪峰流量43 700m3/s，万年一遇洪水洪峰流量52 300m3／s泄洪功率近100 000MW，位居世界高拱坝之首，约为已建的二滩电站泄洪功率的3倍，与国内外部分已建成的高拱坝泄洪功率比较参见表7。

溪洛渡工程泄洪消能功率高，具有“高水头、大泄量、窄河谷”的特点。国外高拱坝工程的泄洪功率相对较小，已建薄拱坝中泄洪功率最大的是洪都拉斯的唉尔卡洪拱坝，泄洪功率15 500MW；国内已建工程中，泄洪功率最大的是二滩水电站，泄洪功率为39 000MW，均远远小于溪洛渡工程100 000MW的泄洪功率。因此，溪洛渡工程泄洪消能问题十分突出，是世界水平的高难度问题。

为解决泄洪消能问题，结合坝址区地形地质条件，溪洛渡工程泄洪消能设计以“分散泄洪、分区消能、按需防护”为原则，采用坝身孔口、两岸泄洪洞和适当台数机组共同承担泄洪任务的布置方案。主要泄水建筑物由坝身7个表孔、8个深孔和两岸5条泄洪洞组成。

在设计中解决了以下关键技术问题：

(1)增大坝身孔口泄量

溪洛渡河道顺直，基岩裸露，抗冲流速高，有条件增大坝身孔口泄洪流量，减轻坝外泄洪任务，从而缩小泄洪洞的规模，或者保持原有泄洪洞的规模，减少泄洪洞数量，降低工程造价，经济效益显著。

坝身采用表孔、深孔相结合，分层出流，上下差动，空中扩散，水舌空中碰撞。射流水舌在入水处纵向尽可能的分散；在水舌不砸岸坡的条件下，充分利用下游水深大的特点，使水舌横向拉开与扩散，有效地削弱人水射流的集中程度；利用射流和淹没水跃的消能原理在水垫塘中集中消刹下泄洪水的能量，并减少水舌冲击压力，以减轻射流对水垫塘底板的冲刷破坏。并对水垫塘进行衬护。形成“分层出流、水舌碰撞、水垫塘消能”的消能方式。通过坝身孔口泄洪功率达到57 000MW，为二滩的2倍，是技术上的重大突破。

多个水力学模型试验的成果表明，针对坝身设7个12.5mXllm表孔和8个6mX6.7m的深孔的设计方案，通过表孔采用舌形坎或差动坎，缩短表孔闸墩、优化表孔和深孔体型等工程措施后，当坝身宣泄30 000m3／s流量时，表孔和深孔水舌能适当碰撞、剪切形成散落状水股，水舌扩散充分。碰撞后的水舌大量掺气，形成掺气水流，消能效果较好。多股水流入射坝下水垫塘后，在水垫塘内形成复杂的三元水流，在水垫塘内纵向、横向和垂向扩散，加之与水垫塘边壁的碰撞折冲，下泄水流剧烈紊动消能。利用水垫塘内水深达80m左右的有利条件，大大地减少底板上的动水压力。水垫塘底板上的最大时均压强仅为13mX9.8MPa，在设计的允许范围之内。

通过模型试验，验证溪洛渡拱坝坝身宣泄30 000m3/s流量，坝身孔口泄流能力，水流流态，消能效果，水垫塘底板上的最大时均冲击压力和底板稳定均能满足要求。再通过拱坝泄洪振动水弹性模型试验，坝身泄洪时诱发的坝体振动是有感振动，其数量级不会对坝体安全构成威胁，也不会对环境和人造成危害。通过多项指标的综合分析，下游河道具有承受由坝身孔口下泄30 000m3／s流量的能力。因此设计采用坝身孔口宣泄30 000m3／s流量是可行的。坝身泄洪消能指标与国内外高拱坝工程比较见表8。

(2)采用反拱型水垫塘

溪洛渡工程的泄洪消能设计采用坝身设两层孔口，坝后设水垫塘消能的布置方式。这样布置方式使枢纽布置紧凑，泄洪水流方向与原河道基本一致，顺应河势，避免下泄水流对两岸的直接顶冲，是一种既安全又经济的布置方式。在设计中首先注意水垫塘的开挖不能危及大坝的坝肩安全，水垫塘的边坡不宜太高；其次，水垫塘底板的稳定性。因为大量的能量在水垫塘内消刹，一旦水垫塘底板失去稳定，河床基岩遭受冲刷，势必影响大坝及坝肩的稳定。

溪洛渡水电站坝址河谷形态为对称的窄“U”型，枯水期水面宽70～1lOm，河床420m高程以下的坡度较缓，仅为20°～25°，420m以上则为55°～75°陡坡。从适应河谷形态，减少岸坡的开挖，增加底板稳定的安全度考虑，采用反拱形底板水垫塘。

为研究水垫塘内的水流特性，专门制作了枢纽整体模型，并开展了反拱型水垫塘底板的整体稳定和局部稳定的试验研

究，得出以下结论：

①反拱型水垫塘的流态与平底板水垫塘没有本质的区别，坝身多股射流，在水垫塘内形成复杂的流动结构，塘内水流紊动和混掺剧烈，消能比较充分。采用先进的测试手段，细致地分析了水垫塘复杂的三元流动结构，按照不同的受力情况对水垫塘各部位进行适当的保护，可以保证工程的安全运行。②反拱型底板的受力特性与平底板不同。平底板块以升浮稳定为控制条件，其抗力主要是单块的自重和锚固力，一旦止水破坏，抽排系统失效，动水压力沿裂缝传到板块底部，对底板稳定形成直接危险，特别是水垫塘动水压力较大的水舌入水区，容易产生底板块失稳。反拱型水垫塘底板，当动水压力产生的上举力超过底板块自重时，底板块间形成拱，靠拱端产生的推力来维持其稳定。反拱型底板在上举力作用下产生的推力在摩擦力和锚筋剪切的力的耗损下传至拱底，因此拱端产生的推力不会很大，拱座容易保持稳定。③反拱各底板块上举力相关性差，各单块底板稳定失稳受相邻两块底板制约大，从而保证了各单块底板有足够大的稳定性；反拱型底板较之平底板有更大的安全度，在模型上不设抽排和止水措施，也末见底板块发生失稳。

(3)大泄量的“龙落尾”泄洪隧洞

溪洛渡工程40％的泄量山两岸多条泄洪洞负担，单洞泄量高达4 000m3/s。泄洪隧洞分流后可减轻坝下消能防冲的负担和泄洪雾化的影响，增大枢纽泄洪设施运行的灵活性利可靠性。由于水库设有46.5亿m3防洪库容，汛期库水位基本上要维持在560m运行，汛期泄洪设备主要为泄洪洞和坝身深孔。泄洪洞加上部分机组运行可以宣泄常年洪水。因此，对泄洪洞的安全运行要求颇高。

根据枢纽布置，泄洪隧洞长1.3～1.8km，平面上布置要转弯，泄洪洞水头高，反弧段流速达45m/s以上。在总结国内外大型泄洪洞设计和运行经验的基础上，提出进口为有压段，后经地下工作闸门室接无压洞，无压洞洞内“龙落尾”型式，将总能量的80％左右集中在尾部占全洞洞长的15％的洞段之内。泄洪隧洞洞内流速大多控制在25m／s左右，仅在龙落尾段流速才由25m／s增加至反弧段末端的45m/s。这种布置型式的优点：绝大多数洞段由于流速低，不致产生空化空蚀，衬砌要求低；高速水流集中，减少衬砌工程量，增加了洞身运行的安全度。由于出口水流流速较大，挑射水舌能挑至主河床，水流归槽条件好；加之高流速无压段短且与大气连通条件好，水流表层自掺气充分，提高了水流的空化数，增加高流速段抗空化空蚀能力。

(4)将一条导流洞改建为泄洪洞溪洛渡电站采用全年断流围堰隧洞导流的导流方式，左布岸各设3条18mX20m导流隧洞。其中左右岸各2条导流洞拟与厂房尾水洞相结合，将剩下的2条中的1条改建为泄洪隧洞。山于水头高(约200m)、泄量大(3000m3/s)、技术难度大，在“八五”、九五”攻关基础上，进行了多种体型的对比试验，深入研究改建中存在的关键技术难题，提出采用竖井旋流与孔板消能整流相结合的消能方式和竖井与洞塞相站合消能的方式，并经模型试验验证，消能率达90％，洞内流速控制在25m/s左右，这两种改建方式都是可行的。由于导流洞结合段内流速低、压力小，在结构上不需要作特殊处理，完全可以利用原导流洞。竖井段结构简单，投资不入片：可以提前施了，改建占用直线工期少，因此被设计采纳。

枢纽整体模型试验和单体水力模型试验表明，这会枢纽泄洪建筑物的设计方案，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时投入使用。

3.7 超大型地下洞室群设计

溪洛渡水电站装机容量12 600MW，发电厂房分左、右两岸对称布置。每个厂房各装机9台，单机700MW。左、右岸地下工程包括地下厂房、主变室、尾水调压室、引水隧洞、尾水隧洞、母线洞、电缆竖井以及交通洞、通风洞等辅助洞室，形成规模巨大的地下洞室群。主厂房尺、(长X宽X高)430.3mX28.4mX75.1m，地下洞室总开挖量近1 500万m3，超过已建的二滩、拉格朗德二级以及丘吉尔电站地下厂房。厂区洞室多、尺寸大、布置密集、立体交叉 ，在世界上是没有先例的。参见图3。

在地下工程的设计中，工程布置、围岩稳定评价以及加固处理措施等都属关键技术问题，对工程建设的安全性和经济性影响甚大，设计给予了充分重视。溪洛渡工程两岸地下厂房洞室群的水平和垂直埋深均大于300m。围岩新鲜坚硬、完整性好，呈块状结构，断层不发育，以Ⅰ、Ⅱ类围岩为主，围岩成洞条件好。初始地应力场以构造应力为主，最大主应力为15.0～20.0MPa属中等地应力水平。岩层近水平展布、垂直裂隙不发育，主要构造形迹为近水平的岩流层层间层内构造错动带。岩体内地下水活动弱，透水性低，水文地质条件相对较简单。两岸均具备修建大型地下洞室群的良好工程地质条件。

缓倾角层间、层内错动带对大跨度顶拱、高边墙及洞室交叉部位围岩的稳定不利。影响围岩稳定的因素很多，结构面的组合、地下水的运移规律、施工程序、开挖方法、围岩力学参数等都有一定的不确定性，这些不确定因素给超大型地下洞室群的设计、施工及围岩临时与永久支护带来极大的困难。在溪洛渡工程的研究设计中，结合“九五”国家科技攻关和特殊专题研究，开展了前所未有的分析、试验研究工作，重点研究地下厂房洞室群围岩稳定与支护、合理的施工顺序、无支护时围岩静力稳定特性、有支护时围岩静力稳定特性(包括弹塑性损伤有限元分析、FLAC3D拉格朗日元分析及三维地质力学模型试验)和洞室群的抗震稳定分析。建立了地下洞室群的动力分析系统和施工动态仿真分析模拟系统。利用这些先进方法和手段能充分考虑优化开挖顺序、确定加锚支护参数、施工爆破参数，对地下厂房洞室群的围岩稳定作出合理的评价，使地下厂房的设计有较大的提升和突破。

4 结束语

成都勘测设计院积几十年的经验，集中优势力量，针对工程规模大、技术难度高、设计周期短等问题，在可研设计中注意采用国内外最新的科研成果和新技术。针对重大技术问题列出专题，与国内的科研单位和大专院校通力合作，并依托国家“九五”科技攻关，攻克了这些技术难题，保证了可研报告的质量。目前溪洛渡工程已批准立项开工，我们将在下阶段设计和工程实施的过程中，继续深化研究和落实这些重大技术问题。