高拱坝建基面岩体及坝体混凝土参数的合理选用研究

迟守旭，吴桂兰，于海江，王佩珏，范瑞朋

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

高拱坝建基面岩体及坝体混凝土参数的合理选用研究

迟守旭，吴桂兰，于海江，王佩珏，范瑞朋

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

拱坝体形优化设计是一个重要课题，现在普遍的做法是采用拱梁分载法，主要参数包括建基面岩体和坝体混凝土的力学、热学参数，其取值准确性与拱坝体形设计合理性直接相关。以严寒地区某167.5 m高拱坝为例，提出采用敏感性分析方法，对建基面岩体和坝体混凝土的主要参数选用的合理性进行研究，保证拱坝体形设计的合理性。

拱坝；体形设计；敏感性分析

1 引言

拱坝主要以压力拱的形式将荷载传到两岸山体，并以坝—基础的联合作用完成挡水任务。它适合修建于V和U形河谷，是经济性与安全性都比较优越的坝型之一[1]。

拱坝体形优化设计是一个重要课题，涉及到建基面选择、坝体应力、坝肩稳定等各个方面，是关系拱坝设计成功与否的重要环节。现在普遍的做法是采用拱梁分载法进行体形优化设计，主要设计参数包括基础和坝体的力学参数、热学参数，其中岩体变形模量、混凝土弹性模量、混凝土线胀系数等参数选用是否合理，直接关系到拱坝体形设计的合理性。

建基面岩体变形模量受勘察认识、现场爆破施工、地应力释放、固结灌浆效果等因素影响，前期设计中难以准确估计。地质所提供参数一般是一个范围值，体形优化时如何取用影响甚大。坝体混凝土弹性模量、线胀系数等参数是坝体设计的基本参数，其受配比试验、骨料、水泥、掺加剂、材料不均匀性、横缝灌浆质量等的影响，且体形设计时采用坝体混凝土持续弹性模量进行计算，持续弹性模量规范规定采用瞬时弹性模量的0.6～0.7倍[2]，体形设计时难以精确取用。混凝土线胀系数的取值与混凝土骨料岩性、混凝土配合比、温度变化及湿度状态相关，具有一定的不确定性。

因此，拱坝体形优化设计中，提出一种敏感性分析方法，首先要对计算所需基本参数分析确定采用值，经过反复调试得到拱坝初步体形，再考虑以上主要参数变化范围，保证在各种情况下拱坝体形均满足设计要求，对拱坝体形优化设计具有重要意义。

2 工程概况

严寒地区某双曲拱坝坝高167.5 m，总库容3.68亿m3，总装机容量160 MW，为一项综合工程的组成部分，整体工程为大（1）型I等工程。本拱坝枢纽主要建筑物为2级，由于混凝土拱坝坝高超过130 m，拱坝级别提高一级，按1级建筑物设计。工程区地处严寒、强震地带，多年平均气温7.7℃，极限温差达78℃，每年有效浇筑时间仅6个月。拱坝的抗震设防类别为甲类，按9度设计，坝址区100 a超越概率2%地震动峰值加速度为0.431 g，100 a超越概率1%地震动峰值加速度为0.510 g。

坝址处为V形河谷，河谷狭窄，宽高比为1.26，主河床宽约20 m，岸坡坡度多在65°以上，两岸谷坡地形较平顺完整。坝址区基岩以巨厚层、厚层、中厚层灰岩为主，岩质坚硬，但岩体中隐微裂隙较发育，岩块（体）受过“内伤”，呈现出“似镶嵌结构”，导致灰岩岩块强度总体偏低，AⅡ类岩体分布较少。地层发育有侵入岩脉，岩性为花岗闪长斑岩，具有不同程度的蚀变。坝址区构造格架简单，结构面稀疏发育。拱坝受力范围内断裂构造总体不发育，Ⅲ级结构面5条，其中Jef4为中缓倾角切层断层、其余均为陡倾角层间错动断层，另有部分Ⅳ、Ⅴ级结构面发育，性状以硬性结构面为主。

总之，本工程地处严寒地区，地震烈度高，年有效施工期短，加之地质条件相对复杂，对拱坝的体形优化设计提出了更高的要求。

3 拱坝体形优化设计方法

高拱坝的投资主要由坝体混凝土体积决定。因此，体形优化设计时，以拱坝体积作为目标函数，其它要求均以约束条件形式在过程中具体体现。拱坝优化的约束函数包括几何约束、应力约束和稳定约束，它们必须全面地满足设计规范的规定，并考虑施工和结构布置上的要求。拱坝体形优化设计采用中国水利水电科学研究院ADASO五向调整拱坝应力分析程序，用惩罚函数法和序列二次规划法求解，计算速度和精度均较高。

4 拱坝体形优化初步成果

结合此拱坝特点，采用拱梁分载法，综合考虑建基面、坝体应力、坝肩稳定等主要因素，经过多方案对比分析，最终以上下游倒悬度≤0.3、8.0 m≤坝顶厚度≤10.0 m、拱端厚度≤50.0 m为几何约束条件，以半中心角≤49°、最大中心角≤97°为稳定约束条件，以压应力≤8.75 MPa（C9035混凝土）、拉应力≤1.2 MPa、接缝灌浆前坝块自重产生的拉应力≤0.5 MPa为应力约束条件进行体形优化设计，拱坝体形优化成果见表1。

表1 拱坝优化体形参数

5 建基面岩体变形模量参数选择及敏感性分析

本工程坝址区岩性以巨厚层、厚层、中厚层灰岩为主，但由于岩块（体）受过“内伤”，呈现出“似镶嵌结构”，Ⅱ类岩体分布较少，建基面岩体以AⅢ-1和AⅢ-2类为主，局部Jef4出露部位为AⅣ类，需进行混凝土置换处理。

通常地勘报告中提供的拱坝建基面岩体物理力学参数非常全面但很少给出定值，一般来说每个岩体力学参数都给设计提供了一个取值范围，有的参数取值范围比较宽，在允许的范围内取不同的参数值，得出的优化成果相差可能很大。甚至有可能，同样在推荐允许范围内取值，用其中一个参数优化出来的方案代入另一个参数值，则变成了不可行方案。所以说，如果选用了不合理的地质参数，就有可能造成较大的工程风险。另外，拱坝优化设计时采用较低的基岩变模值并不能保证坝体更安全，工程采用方案中坝体应力值必须留有一定的宽裕度，以适应坝基变形模量的变化。

本工程在进行体形优化设计时，对每层拱圈的变形模量均根据平切图拱端所处的岩体类别地质建议值的中值以及其在拱端处所占比例，按照加权平均法进行计算。根据地质资料，AⅡ级岩体变形模量为13.0～15.0 GPa，计算时取14.0 GPa；AⅢ-1级岩体变形模量为8～11 GPa，计算时取9.5 GPa；AⅢ-2级岩体变形模量为6～7 GPa，计算时取6.5 GPa。建基面各类岩体变形模量上下浮动20%后取值范围，见表2。

表2 拱坝建基面岩体变形模量 GPa

由表2可以看出，当采用地质建议值的中值上下浮动20%作为建基面岩体变形模量分析时，每类岩体的取值范围均将地质建议值包含在内，可全面满足拱坝体形设计对建基面岩体变形模量的要求。因此，拱坝体形优化设计时，各类岩体变形模量采用中值，并按照上下浮动20%进行敏感性分析。

对本工程而言，综合考虑坝址区岩体特性及建基面选择结论，经计算分析，体形优化设计时基础综合变形模量取值见表3。

表3 拱坝基础综合变形模量

根据表2及分析成果，在体形初步成果的基础上，对建基面岩体变形模量进行敏感性分析，浮动范围以20%控制，主要工况包括：工况1—2，建基面岩体变形模量整体上、下浮动20%；工况3—4，左岸整体上、下浮动20%；工况5—6，右岸整体上、下浮动20%；工况7，考虑左岸Jef4影响范围，713～740 m高程局部下浮20%。

考虑本工程地处高寒地带，极限温差、温度荷载大，而对高拱坝而言拉应力一般对坝体应力起控制作用，因此，在建基面岩体变形模量敏感性分析时，计算采用“上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+自重+温降”荷载组合（以下简称“正常+温降”荷载组合），坝体位移、应力计算成果见表4。

表4 拱坝体形基础变形模量敏感性分析计算成果

由计算结果分析可知，建基面岩体变形模量在拟定的20%范围内浮动时，对坝体位移及应力均有一定的影响，其一般规律为：随着变形模量增大，下游面主拉应力减小、主压应力增大，上游面主拉应力增大、主压应力减小，坝体位移分布规律一致，最大径向位移呈减小趋势；反之，规律相反。

在左右岸基础岩体综合变形模量浮动范围内，坝体最大主拉应力、主压应力值均满足设计控制标准，位移分布规律及数值符合常规，说明计算采用的变形模量使拱坝体形具有较强的适应性，能够保证此参数在一定范围内浮动时拱坝体形保持不变。

6 坝体混凝土弹性模量参数选择及敏感性分析

本工程骨料采用料场加工料，其岩性为灰岩。按照规范要求，拱坝应力分析应采用坝体混凝土持续弹性模量进行计算，其值可采用混凝土试件瞬时弹性模量的0.6～0.7倍。国内拱坝设计时，坝体混凝土弹性模量取值一般在22～26GPa，如东庄拱坝22GPa、大岗山拱坝24 GPa、拉西瓦拱坝24 GPa、构皮滩拱坝25 GPa、溪洛渡拱坝26 GPa。参考国内工程经验和规范要求，本工程采用值为22 GPa。

根据以上分析，在体形初步成果的基础上，对坝体混凝土弹性模量进行敏感性分析，浮动范围控制在20%左右，取坝体混凝土持续弹性模量下限值为19 GPa、上限值为25 GPa进行敏感性分析，计算采用“正常+温降”荷载组合，坝体位移、应力计算成果见表5。

表5 拱坝体形混凝土弹性模量敏感性分析计算成果

由计算结果分析可知，坝体混凝土持续弹性模量在19～25 GPa浮动变化时，对拱坝坝体位移及应力均产生一定影响，其规律为：随着坝体弹性模量增大，下游面主拉应力增大、主压应力减小，上游面主拉应力、主压应力均呈增大趋势，坝体径向位移分布规律一致，最大径向位移呈减小趋势；反之，规律相反。

在坝体弹性模量浮动范围内，坝体最大主拉应力、主压应力值均满足设计控制标准，位移分布规律及数值符合常规，说明计算采用的弹性模量使拱坝体形具有较强的适应性，能够保证此参数在一定范围内浮动时拱坝体形保持不变。

7 坝体混凝土线胀系数选择及敏感性分析

混凝土线胀系数与混凝土骨料岩性、混凝土配合比、温度变化及湿度状态相关。因此，在拱坝体形设计时，其取值具有一定的不确定性，前期体形设计采用值与实际情况可能存在一定的差异。为了反映混凝土线胀系数的取值不确定性对坝体应力的影响，进行混凝土线胀系数敏感性分析是非常必要的。本工程体形优化设计时，线胀系数取0.8×10-5/℃。参考国内外工程计算参数，取坝体混凝土线胀系数下限值为0.60×10-5/℃、上限值为1.00×10-5/℃进行敏感性分析，计算采用“正常+温降”荷载组合，坝体位移、应力计算成果见表6。

表6 拱坝体形混凝土线胀系数敏感性分析计算成果

由计算结果分析可知，坝体混凝土线胀系数在（0.60×10-5～1.0×10-5）/℃浮动变化，对坝体位移和应力均产生一定的影响，其规律为：随着线胀系数增大，下游面主拉应力、主压应力呈增大趋势，上游面主拉应力、主压应力亦呈增大趋势，坝体径向位移分布规律一致，最大径向位移呈减小趋势；反之，规律相反。

在混凝土线胀系数浮动范围内，坝体最大主拉应力、主压应力值均满足设计控制标准，位移分布规律及数值符合常规，说明计算采用的线胀系数使拱坝体形具有较强的适应性，能够保证此参数在一定范围内浮动时拱坝体形保持不变。

8 结论

拱坝体形优化设计是一个重要课题，涉及到建基面选择、坝体应力、坝肩稳定等各个方面，是关系拱坝设计成功与否的重要环节。以新疆某167.5 m高拱坝为例，对建基面岩体变形模量、坝体混凝土弹性模量和线胀系数等主要影响体形选择的参数进行论证和敏感性分析，保证所推荐的拱坝体形能适应主要参数在一定范围内的变化，这对减少拱坝体形优化设计的反复工作量、提高拱坝的适应性有重要意义，并可推广至其它拱坝体形优化设计中。

[1]王仁坤，林鹏.溪洛渡特高拱坝建基面嵌深优化的分析与评价[J].岩石力学与工程学报，2008（10）：2010-2018.

[2]SL 282-2003，混凝土拱坝设计规范[S].

《浙江省河长制规定》将于10月1日起施行

2017年7月28日，浙江省第十二届人民代表大会常务委员会第四十三次会议审议通过《浙江省河长制规定》，自2017年10月1日起施行。这是国内第一个省级层面河长制专项立法，标志着浙江省河长制工作有了全面的法律保障。

《规定》明确了县级以上河长制工作机构及各级河长的工作职责，建立省级、市级、县级、乡级、村级五级河长体系。跨设区的市重点水域应当设立省级河长，各水域所在设区的市、县（市、区）、乡镇（街道）、村（居）应当分级分段设立市级、县级、乡级、村级河长，各级河长名单应向社会公布。据省治水办（河长办）统计，截至目前，浙江省共有约4万条河流及湖泊设立了57 533名河长。

（摘自2017年8月3日水利部网）

Study on Reasonable Parameters Selection for Foundation Rock and Body Concrete of High Arch Dam

CHI Shou-xu，WU Gui-lan，YU Hai-jiang，WANG Pei-jue，FAN Rui-peng
（China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China）

Arch dam shape optimization design is an important issue.It is now common practice to use the trial load meth⁃od.The main parameters include mechanics and thermal parameters of foundation rock and dam body concrete，and its ac⁃curacy is directly related to the rationality of arch dam design.In this dissertation，a 167.5m high arch dam in cold area is taken as an example，and the sensitivity analysis method is used to study the rationality of the main parameters of the foun⁃dation rock and the dam body concrete to ensure the rationality of arch dam shape design.

arch dam；shape design；sensitivity analysis

TV642.4

A

1004-7328（2017）05-0020-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.007

2017—06—28

迟守旭（1977—），男，硕士，高级工程师，主要从事水工建筑物设计工作。