山口岩碾压混凝土拱坝体型优化设计

杨志华

(江西省水利规划设计研究院，江西　南昌　330029)

山口岩碾压混凝土拱坝体型优化设计

杨志华

(江西省水利规划设计研究院，江西南昌330029)

摘要：山口岩拱坝是江西省境内第一座碾压混凝土拱坝，施工图设计阶段根据地形、地质情况，结合坝体材料性质，对拱坝体型进行了优化设计，由原设计的圆弧型单曲拱坝优化为抛物线型双曲拱坝，坝体混凝土量减少了3.8万m3，取得了较为可观的经济效益。图2幅，表2个。

关键词：碾压混凝土拱坝；体型优化；设计

1工程概况

山口岩水利枢纽工程位于江西省萍乡市芦溪县境内，赣江支流袁水上游，坝址以上控制集雨面积230 km2，水库正常蓄水位244.00 m(黄海高程，下同)，设计洪水位(P=0.2%)246.20 m，校核洪水位(P=0.05%)246.72 m，死水位221.0 m。水库总库容为1.052×108 m3，电站装机容量12 MW，是1座以防洪、供水为主，兼顾发电、灌溉等综合效益的大(2)型水利枢纽工程，主要建筑物有碾压混凝土拱坝、表孔溢流堰、坝身放空孔、引水隧洞及发电厂房等。

坝址区处于构造侵蚀中、低山地貌单元，坝肩两岸山体雄厚，山顶高程大于400 m，山顶呈尖棱状。左右两岸山坡坡角一般为35°～40°，河谷狭窄，两岸较对称，岩层走向与河流方向近乎垂直，为横向“V”型河谷。坝址区主要分布有震旦系松山群老虎塘组(Zsn)浅变质岩系、石炭系下统大塘组测水段(C1d2)碎屑岩系及第四系(Q)松散堆积物，坝基岩体为石炭系下统大塘组测水段沉积碎屑岩系，岩性由砾岩、石英砂岩、细砂岩、炭质(或含炭)粉砂岩和长石石英砂岩等组成。

2设计原则、方法及应力控制标准

2.1拱坝体型优化设计原则与方法

拱坝体型优化设计首先要建立相应的数学模型，即以目标函数、设计变量和约束条件出发建立拱坝体型优化设计的数学模型；影响拱坝工程造价的主要因素是大坝的混凝土方量，所以大坝体型优化设计的目标函数选取为坝体体积。体型优化的设计变量包括拱冠梁上游面曲线、拱冠梁下游面曲线、拱冠厚度、拱端厚度、曲率半径等，约束函数包括坝体应力、倒悬度、中心角、保凸等，约束函数应满足规范及碾压混凝土施工要求。编制程序运用罚函数法及序列二次规划法，求解目标函数的极值点。

2.2坝体应力控制标准

山口岩拱坝属2级建筑物，且为高拱坝，我国现行《混凝土拱坝设计规范》(SL 282—2003)规定，采用拱梁分载法计算时坝体应力控制标准为：2级拱坝在基本荷载组合下容许拉应力不得大于1.2 MPa，对于非地震情况特殊荷载组合，容许拉应力不得大于1.5 MPa；2级拱坝在基本荷载组合下容许压应力安全系数为4.0，对于非地震情况的特殊荷载组合，容许压应力安全系数为3.5。坝体混凝土主要采用三级配R90200碾压混凝土，容许压应力在基本荷载组合时为5.0 MPa，在特殊荷载合时为5.7 MPa。

3设计过程

3.1主要计算参数

大坝主体混凝土材料为R90200三级配碾压混凝土，上游面防渗体为R90200二级配碾压混凝土；大坝坝基(肩)岩性以石英砂岩、碳质粉砂岩为主，呈弱风化—微新状，属中硬—坚硬岩；坝址多年平均气温为17.3 ℃，极端最高气温40.1 ℃，极端最低气温-9.3 ℃。主要计算参数如下：

坝体：容重γ=23.5 kN/m3，弹性模量E砼=20.0 GPa，泊松比μ砼=0.175，线胀系数α砼=1.00×10-5/℃，导温系数为3.6 m2/月

基岩：坝肩175 m以上主要为石英砂岩，变形模量E肩=8.3 GPa，泊松比μ肩=0.3。

坝肩175 m以下及坝基主要为碳质粉砂岩，变形模量E基=6.0 GPa，泊松比μ基=0.28。

3.2计算工况及荷载组合

拱坝体型优化时考虑的主要计算工况及荷载组合如下所示：

工况Ⅰ：水库正常蓄水位+相应下游水位(无水)+设计正常温降+泥沙压力(淤沙高程187.0 m，下同)+坝体自重。

工况Ⅱ：水库设计洪水位+相应下游水位(167.61 m)+设计正常温升+泥沙压力+坝体自重。

工况Ⅲ：水库死水位+相应下游水位(无水)+设计正常温升+泥沙压力+坝体自重。

工况Ⅳ：水库校核洪水位+相应下游水位(168.27 m)+设计正常温升+泥沙压力+坝体自重。

3.3体型优化

山口岩碾压混凝土拱坝初步设计阶段推荐方案为单曲拱坝，坝顶高程为247.6 m，坝基最低开挖底高程148.50 m，最大坝高99.1 m；坝底最大宽度32 m，厚高比0.323，坝顶宽度6.0 m，坝轴线圆弧半径150.0 m，最大中心角109.98°；坝顶长度为287.94 m，坝体混凝土方量为30.9×104m3。施工图设计阶段根据地形、地质情况，结合坝体材料性质，对拱冠梁曲线、拱冠及拱端的厚度、曲率半径等设计变量进行优化。优化后的拱坝体型为抛物线双曲拱坝，坝顶高程为247.6 m，坝基最低开挖底高程为148.50 m，最大坝高99.1 m，坝底最大宽度30 m，厚高比0.303；坝顶宽度5.0m，最大中心角77.71°；坝顶长度为268.23 m，坝体混凝土方量为27.1×104m3(见图1、图2，表1、表2)。

图1　优化前拱冠梁剖面

图2　优化后拱冠梁剖面

表2　抛物线双曲体型与圆弧单曲体型上下游坝面应力对比　MPa

注：压应力为正，拉应力为负

由表1、表2可以看出，在坝体应力满足《混凝土拱坝设计规范》(SL 282—2003)规定的应力控制标准的前提下，山口岩拱坝优化后体型参数与优化前体型比较均有一定幅度的降低，施工图设计阶段优化后的抛物线双曲拱坝混凝土量较初步设计阶段推荐方案的单曲拱坝减少3.8万m3(约12.3%)，取得了较为可观的经济效益；且优化后双曲拱坝坝体的应力状态较初设单曲拱坝有了进一步的改善。

4结语

山口岩碾压混凝土拱坝初步设计阶段为圆弧单曲拱坝，施工图设计阶段根据地形、地质情况对坝体体型进行了优化，优化后大坝体型为抛物线型双曲拱坝，坝体混凝土量减少了3.8万m3，取得了较为可观的经济效益；同时也可为类似工程提供借鉴与参考。

参考文献：

[1]SL 282—2003，混凝土拱坝设计规范[S]．

[2]蔡新，郭兴文，张旭明．工程结构优化设计[M]．北京：中国水利水电出版社，2003．

[3]张国新，刘玉，杨波，等．山口岩水利枢纽工程碾压混凝土拱坝三维应力变形有限元分析报告[R]． 北京：中国水利水电科学研究院，2006．

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责任编辑吴昊

收稿日期：2016-02-29

作者简介：杨志华(1978-)，男，工程师，主要从事水工结构设计工作。