减小旭龙水电站拱坝坝体应力的研究

(1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

1 小组概况

QC小组成立于2015年2月，小组成员共9人，由旭龙水电站项目的主要设计人员组成，并聘请经验丰富的专家进行咨询指导，是一个技术全面、专业能力强的团队。小组多名成员曾获得2009年、2012年全国水利优秀及2015年国家工程建设(勘察设计)优秀QC组长、组员称号。

2 选择课题

金沙江旭龙水电站位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江干流上游河段。水库正常蓄水位2302m，总库容8.29亿m3，电站装机容量为2220MW(4×555MW)，年发电量101.14亿kW·h。挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，最大坝高为213m。

预可研阶段拱梁分载法计算得到拱坝坝体主拉应力1.2MPa，与类似拱坝工程相比偏大，拱坝安全度小，前期内部预审查咨询认为拱坝坝体应力需要优化复核。为此选择“减小旭龙水电站拱坝坝体应力”这个课题进行攻关。

3 现状调查

围绕选定的课题，QC小组成员展开了现状调查。

3.1 现状调查一：国内特高拱坝坝体应力水平

QC小组成员通过查找资料等方式详细调查了国内高拱坝的坝体应力水平，见表1。

3.2 现状调查二：主要参数取值情况

a.地质。坝基岩性会影响坝体建基面附近应力大小及分布情况。QC小组成员调查发现坝基岩体复杂，岩性的描述如:Ⅲ类卸荷岩体、陡倾断层F1及数条断层如f75等，物理和力学参数现场实测值描述较少。坝址区河谷地质横剖面图见图1。

表1 国内高拱坝设计应力水平

图1 河谷地质横剖面1.冲洪积物；2.印支期花岗岩；3.雄松组三段混合岩；4.雄松组三段斜长角闪片岩；5.岩性分界线；6.断层及编号；7.裂隙密集带；8.卸荷带下限

b.气温。旭龙水电站位于金沙江巴塘至奔子栏之间的河谷地区，该河段气候变化剧烈，长期以来没有设立过气象站。坝址最近的气象站为得荣站，由于仪器储存、发送、断电等原因，气象站收集了2009年12月—2011年12月的不完整数据。2011年12月进行设备改造升级后，从2012年1月开始每月数据完整。

c.水温。设计计算时水温采用巴塘、奔子栏和古学水文站实测水温拟合预测。

3.3 现状调查三：旭龙拱坝应力特征分析

详细计算结果显示：拱梁分载法计算坝体的最大主拉应力为1.2MPa，主压应力为9.0MPa。根据类似工程设计经验，拱坝坝体应力较大，坝体安全度小。

根据本工程应力特点，设计专题开展了实测基岩变模、混凝土弹模、气温、水温等数据以及坝体设计封拱温度、开挖深度等设计模型条件变化的坝体应力敏感性分析。结果显示拱坝坝体应力对输入计算设计数据以及坝体模型敏感。

通过现状调查可以看出，旭龙拱坝坝体应力偏大，超出类似拱坝工程的“症结”在于：计算数据不准，计算模型不合理。

4 确定目标

根据现状调查，确定本课题目标为：以坝体应力为重点优化对象，减小拱坝坝体主拉应力，将拱坝坝体主拉应力由1.2MPa减小到0.7MPa，与类似工程的应力水平相当。

5 分析原因

小组成员运用“头脑风暴法”集思广益，对坝体主拉应力大的原因进行分析，从地质条件、大坝结构体型、计算输入条件、计算方法和数据处理等五个方面进行归纳，最终得到9个末端原因，如图2所示。

图2 原因分析关联图

6 确定主因

QC小组成员通过现场调查以及计算分析，对得到的9个末端原因逐一进行确认，具体情况见表2。通过对末端因素的逐一分析，认为造成旭龙水电站拱坝坝体应力大的主要原因为：ⓐ基岩等效变模取值单一；ⓑ封拱温度取值不合适。

表2 要因确认计划

7 制定对策

针对已确认的两个要因，QC小组经过充分讨论，提出了解决问题的可能措施，制定了对策，并对对策的具体方案、风险、预计费用以及预计效果进行了分析，见表3。

表3 对策分析

针对要因一，小组成员讨论提出两种对策，根据对策的有效性、可实施性及经济性进行综合比选，最终决定采用数值计算分高程计算基岩的等效变形模量。

针对要因二，小组成员讨论提出两种对策，根据对策的有效性、可实施性及经济性进行综合比选，决定采用专题研究封拱温度的方法。

最终选定的对策见表4。

表4 对 策

8 对策实施

8.1 实施一：基岩分高程进行等效变模有限元计算

河床以及右岸基岩变形模量取值20GPa；左岸取值16GPa。结合旭龙坝址区实际基岩情况，分析认为旭龙拱坝最大坝高213m，基岩变形模量取值单一，坝体应力优化余地较大。在拱梁分载法坝体应力分析时，需要合理确定坝基岩体的变形模量值。为此，在旭龙水电站拱坝的坝基变形模量计算中采用左右岸各分5层高程建立平面有限元模型计算坝基的等效变形模量，从而反映实际地质条件对拱坝坝体应力变形的影响。图3为2220m高程平面有限元网格，表6和表7为计算得到的拱坝左右岸典型高程等效变形模量与等效泊松比。

图3 2220m高程平面有限元网格

高程/m等效变模/GPa等效泊松比2308148022722701750227222017802272170183022621201900226

表7 右岸典型高程等效变形模量与泊松比等效

8.2 实施二：专题研究拱坝封拱温度对坝体应力的影响

初拟的封拱温度13～17℃，随着设计思路和边界条件的变化，经历了多次调整。委托科研单位进行专题研究，研究封拱温度对坝体应力的影响，并进行敏感性分析，形成了完整的温度场仿真报告。表8为封拱温度降低1℃时最大主应力变化表。专题研究最终确定的拱坝封拱温度有所调整，具体如下：高程2145m以下12℃；高程2145～2245m之间14℃，高程2245m 至坝顶15℃。

表8 封拱温度降低1℃最大主应力变化 单位：MPa

注正值代表应力增加，负值代表应力减小。

9 效果检查

9.1 目标检查

经过QC小组专题攻关，旭龙水电站拱坝坝体应力降低。主拉应力由1.2MPa减小到0.65MPa，超出目标0.05MPa。图4显示了QC活动中坝体主拉应力控制目标的实现。

图4 活动主拉应力目标实现

9.2 效益分析

a.工程效益。通过本次QC攻关，减小了旭龙水电站拱坝坝体应力，为顺利通过设计审查奠定了良好基础，可有效加快工程前期工作。

b.技术效益。QC小组解决的是理论技术问题，通过此次小组活动，提高了设计人员的业务水平，丰富了实践经验，提高了创新能力，为类似工程的设计积累了经验。

10 巩固措施

取得成效的同时，QC小组及时地制定了巩固措施，具体如下：

a.根据小组活动成果，QC小组人员就减小旭龙水电站拱坝坝体应力等相关问题总结工程经验，对设计成果进行整理归档，便于后期查阅参考。

b.进一步研究基岩变形模量及封拱温度对坝体应力的影响。

c.对在本次活动中运用到的一些设计思路和计算方法进行总结，并在类似工程中予以推广。

11 总结体会

本次QC小组活动显著减小了旭龙水电站拱坝坝体应力，增加了拱坝安全度，在活动过程中小组成员的综合能力得到较大提高。对活动过程中用到的统计方法、思维方式和活动组织经验进行总结，便于今后更好地开展QC活动。

编者按

为规范和引导水利工程组织开展质量管理小组活动，促进水利工程组织在改进质量、保障安全、节能降耗、改善环境、提高素质、创新增效等方面取得明显效果，弘扬精益求精的工匠精神，中国水利工程协会于2017年6月28日，发布了团体标准T00/CWEA2—2017《水利工程质量管理小组活动导则》(以下简称《导则》)。针对《导则》的发布，中国水利工程协会积极组织编制了《水利工程优秀质量管理小组成果技术评价工作手册》(以下简称《手册》)《水利工程质量管理小组活动指南》(以下简称《指南》)，《手册》与《指南》不久也将发布实施。

《导则》的发布和实施，以及《手册》《指南》的编制，必将对水利工程行业质量管理小组活动的推进产生深远的影响。

为了更好地贯彻《导则》，本刊将针对《导则》标准条款的要求，陆续刊登《导则》标准条款的解读和实施要求的分析，供读者学习和借鉴。

本期刊登现场型、攻关型、管理型、服务型课题选题的要求解析。