龙江水电站枢纽工程椭圆双曲拱坝优化设计

李润伟，景建伟，姜德全

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072）

1 工程概况

龙江水电站枢纽工程位于云南省境内。该工程是以发电、防洪为主。水库正常蓄水位为872.00 m，总库容为12.17×108m3，总装机 240 MW。工程规模为大（1）型，大坝及泄洪建筑物为1级建筑物。坝址区地震基本烈度为8度，大坝抗震设计水平加速度代表值为0.36 g。

龙江水电站枢纽工程主要由双曲拱坝、坝身泄水表孔、放水深孔、坝下消能塘、进水口和左岸发电引水隧洞、地面厂房及GIS开关站等组成。

该工程于2006年11月28日开工，2010年4月下闸蓄水。目前，大坝主体已完工，3台机组全部投入运行。

2 拱坝布置

龙江大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高110 m，坝顶高程875.00 m，坝顶中心线弧长472.00 m（包括溢流、重力墩坝段），拱冠梁处坝顶宽度6.00 m，坝底宽度23.76 m。坝体弧高比3.43，厚高比0.207。坝体共布置25条横缝，共26个坝段。横缝为铅直缝，横缝面上设置球形键槽。结合坝体应力计算成果、坝基的地质地形条件及结构要求，将坝体混凝土强度分为C30和C25两个区。在坝体内部设置2层纵向水平廊道，沿两岸坝基设置基础廊道，在6号坝段下游侧布置电梯井，坝后设置两层交通桥。

3 拱坝体形优化设计

3.1 拱坝方案的确定

在可研阶段，对混凝土重力坝方案和混凝土拱坝方案进行了坝型比选，经综合比选，混凝土拱坝方案比混凝土重力坝方案节省投资直接费约1.04亿元，优势较明显，其它条件两方案基本相当，因此，选用混凝土拱坝坝型。设计经大量的分析、研究工作，论证了拱坝坝型的成立，节省了投资，为龙江工程的开工建设奠定了基础。

3.2 拱坝体形优化

龙江坝址处河谷呈基本对称的宽“V”型，河谷宽高比约3.3。坝址区低高程基岩裸露，河谷较窄；高高程岩石风化较深，坝基可利用岩面较低，岸坡较缓，坝顶弦长较长。为减小坝顶长度，使拱坝受力均匀，将拱坝的两岸坝头布置重力墩，承担拱坝推力。为使拱坝适应坝基岩体变形模量的变化，设计采用变厚拱，拱圈沿拱冠向拱端逐渐加厚，另外，变厚拱亦可节省坝体混凝土量。

设计初选了椭圆双曲拱坝，坝体厚高比0.246，最大中心角89.293°，基本体形混凝土方量为 47.80×104m3，经坝体应力分析、坝肩抗滑稳定分析，满足要求。根据初选拱坝体形的经验，为减少坝体混凝土方量，节约投资，设计对拱坝体形进一步优化。为增强拱坝整体抗震性能，适当减小了坝体中下部高程的中心角，加大坝体中上部的中心角；加大中上部高程悬臂梁向下游的倒悬度；减薄中上部高程坝体的厚度，以减小坝体的地震惯性力，在满足坝体应力要求的情况下，减小了混凝土方量。经优化选定的拱坝体形仍为椭圆双曲拱坝，坝体弧高比3.43，厚高比0.207，最大中心角87.928°，基本体形混凝土方量为40.1×104m3，比原方案节省混凝土7.7×104m3，节约投资直接费约为3500万元，具有显著的经济效益。

拱坝体形设计比较复杂，且椭圆拱坝的设计变量达34个，人工设计难以求得最优方案。设计人员在可靠的拱坝优化理论指导下，采用了“拱坝体形优化程序（ADASO）”进行优化设计，拱坝体形优化过程仅需要一个星期，为短时间内完成拱坝体形优化探索出一条新路。

4 坝体应力分析

拱坝应力计算采用拱梁分载法作为基本方法，同时采用有限元法进行复核，动力情况下应力分析采用反应普法。

在静力情况下，分载法程序计算的坝体最大主拉、主压应力均由基本组合控制，最大主拉应力为0.64 MPa（死水位温升，下游面），最大主压应力为4.08 MPa（正常温降，上游面），均满足规范要求，且有较大富裕度。有限元法计算的坝体应力分布趋势与分载法基本一致，只是应力数值稍大一些，主要是由于有限元计算的角缘应力集中影响。

设计地震情况下，拱梁分载法分析结果表明，按大坝混凝土强度等级为C30，上、下游坝面高拉应力区均不同程度超出了现行抗震规范承载能力极限状态的设计要求，但范围不大。考虑实际混凝土的超强、后期强度及配置抗震钢筋3个有利因素，在强震下坝体强度是有一定保障的。

在强震下考虑拱坝横缝张开及无限地基辐射阻尼的综合影响后，大坝的静动综合应力大幅度降低，除了应力集中区域外均可满足要求。同时，经地质力学模型三维有限元坝体应力分析复核，基本给出了相同的趋势和结论。

5 坝肩抗滑稳定分析

坝址区出露的地层，主要为寒武系的片麻岩和第四系松散堆积层。拱坝基础的地质条件复杂，基础分布有规模不等的断层，基岩节理、裂隙发育，构成底滑面和侧滑面的裂隙随机散布，坝肩三维典型滑块形式多样，抗滑稳定分析难度较大。

通过对两岸坝肩共105块可能滑移块体逐一进行分析计算得知，右岸以F37断层为侧滑面的典型滑块6号控制坝肩抗滑稳定，基本组合1（正常温降）的抗滑稳定安全系数最小值为3.64＞3.50，满足抗滑稳定要求；偶然组合8（正常温降+设计地震）的抗滑稳定安全系数最小值为1.46＞1.31（分项系数法），满足抗震要求。同时，经地质力学模型三维有限元超载极限能力分析可知，静力情况下，拱坝及坝肩整体超载系数为4.2；动力情况下，整体超载加速度为0.71 g，约是设计地震加速度0.36 g的2倍，大坝具有较强的超载能力。

6 结语

1）龙江拱坝是采用“拱坝体形优化程序”由计算机辅助选定的，拱坝体形优化过程耗时较短，体形优化节省了工程量，促进了拱坝设计的革新。

2）龙江坝址区地质条件复杂，坝肩抗滑稳定是拱坝设计的重中之重，通过大量的分析工作可知，静力、动力情况下坝肩抗滑是稳定的，大坝是安全的。

4）龙江拱坝是目前国内高震区第一座椭圆双曲拱坝，对推动我国椭圆拱坝的发展具有十分重要的意义。

3）龙江拱坝已蓄水一年多，大坝经历了长期高水位的运行，同时也经历了5年一遇洪水的考验，根据监测成果分析，目前大坝运行安全、正常。