内蒙古大坝口水库改扩建工程拱坝设计

程晓鸣 胡彬彬

大坝口水库改扩建工程地处阴山山脉狼山中段前缘的大坝沟沟口，位于乌拉特后旗巴音宝力格镇以西5 km处，是内蒙古西北地区狼山水系防洪工程治理的重点工程。为以防洪为主、结合供水任务的中型水库。水库的运行方式采用“蓄洪运用”。

工程区累年最冷月1月平均气温为-14.1℃，低于-10℃，按照SL 211—2006《水工建筑物抗冻设计规范》的规定，属于严寒地区，最热月7月平均气温为22.2℃。最高气温37℃，最低气温-34.4℃。

大坝口水库改扩建工程位于大坝沟沟口附近，该沟谷段长约300 m，沟谷宽25～40 m，为基本对称的“V”形谷。沟谷呈西北—东南向分布，两岸岸坡较陡峻，相对高差80～130 m。植被稀少，基岩裸露。工程区地层主要为元古界狼山群变质岩（PtL）、新生界第四系（Q）及燕山早期花岗岩。工程区位于狼山复背斜的南翼，局部小褶曲发育。岩体片理走向NE60～80°，倾向NW，局部倾向SE，倾角60～75°。其主体构造线方向为NE，与狼山山链走向大体一致。主要构造形迹为挤压破碎带及裂隙。工程区地下水类型主要为第四系松散堆积物孔隙潜水和基岩裂隙水；工程区岩体中缓倾角结构面不发育，且未发现大的顺河向结构面，两岸发育的挤压破碎带规模小，性状较好，坝基、坝肩岩体抗滑稳定性较好。根据GB 18306—2001 1/400万《中国地震动参数区划图》，按50年超越概率10%，一般场地类型的设防水准，工程区地震动峰值加速度为0.15g，反映谱特征周期为0.35 s，相当于地震基本烈度Ⅶ度。

1 拱坝布置

1.1 布置原则

拱坝是一个三边嵌固在岩基上，一边自由的变曲率、变厚度的高次超静定的空间壳体结构。在外荷载作用下，一部分通过梁的作用传到河床基岩，一部分通过拱的作用传到两岸坝肩基岩。当河谷狭窄时，一般坝顶弦高比L/H＜3.5时，以拱的作用为主。由于拱是一种推力结构，因此，坝体应力状态以受压为主，从而可以充分发挥混凝土、砌石类材料抗压强度高的特点，可以将坝体做的较薄，以达到节约材料的目的。在坝址、坝高条件相同的情况下，重力坝体积是拱坝的1.5～5倍，大坝口水库改扩建工程双曲拱坝也做了比较，为3～4倍。

拱坝坝体一般较薄，在荷载方面，与重力坝相比，扬压力对应力的影响减小，而温度荷载成为主要荷载之一，地基变形成为影响坝体应力的重要因素。拱坝是一种高次超静定的空间壳体，一般以拱向作用为主。当局部超载时，坝体应力可以自行调整，只要坝肩稳定满足要求，坝体的安全度一般较高。拱坝是一种经济性和安全性都比较优越的坝型。

（1）根据坝址区的地质、地形条件以及工程任务、运用要求，合理选择坝轴线。

（2）建基面应尽量规则，避免周边突变，以减少坝基局部应力集中。拱端应嵌入开挖后的坚实基岩内，拱端与基岩的接触面原则上应做到全径向的，以使拱端推力接近垂直于拱座面。

（3）拱坝体形应尽量对称设计，同时确保坝体上、下游面为连续、光滑的曲面，在充分发挥坝体材料强度的前提下，不出现不利的应力状态，同时应变条件良好。

（4）控制上游面倒悬度小于0.3∶1，从而改善施工期应力条件，使结构体形简单，便于施工，利于抗震。

（5）结合坝体建基面的物理力学参数，综合比选确定坝体材料，以使大坝具有较强的适应基础变形模量的能力，同时在各工况下，使坝体的应力满足规范要求，应变幅度合理。

（6）拱轴线与基岩等高线在拱端处的夹角不小于30°，并使两端夹角大致相等，充分利用两岸坝肩雄厚山体的有利条件，确保拱座的抗滑稳定安全系数满足规范要求。

（7）在满足上述要求的前提下，反复调整坝体布置以尽量减小坝体体积，降低工程投资。

大坝口水库改扩建工程双曲拱坝布置的基本原则是：基岩面、坝面变化平顺，无突变或反复弯曲，坝面倒悬度、坝体应力及坝肩稳定、沿建基面（或浅层潜在软弱结构面）稳定满足要求，应变值在合理范围内，同时，尽量做到工程量及造价最省。

1.2 拱坝建筑物布置

大坝口水库改扩建工程坝体材料采用细石混凝土砌块石，主要建筑物包括挡水建筑物、泄洪建筑物、排沙建筑物、取水建筑物等。

挡水建筑物采用变圆心变半径的双曲拱坝，左、右半拱采用非对称形式。河床部位拱坝建基面高程定为1 071.00 m，拱坝坝基利用岩面要求开挖至新鲜弱风化下限-微风化的基岩。坝顶高程为1 122.60 m，最大坝高为51.6 m。拱坝顶拱外半径为110.00 m，中心角为105.51°，坝顶轴线长度202.57 m。坝顶厚度4.0 m，不计防渗面板的坝体底部厚度15.0 m。弦高比3.393，弧高比3.924，坝顶厚度为4.0 m，坝底厚度15.0 m，厚高比0.29。

y=0.141 439 2x1.85泄水建筑物采用开敞式溢流表孔，溢流堰顶设置在防洪高水位1 115.33 m高程，堰顶净宽度70 m，共设7孔，居中对称布置，单孔净宽10 m。出口采用挑流消能。冲沙底孔设置在高程1 090.0 m，设置2孔，单孔尺寸为4 m×3.4 m（宽×高），用于汛期洪水来临联合冲沙泄洪。溢流堰堰面曲线采用幂曲线形式，定型设计水头Hd取0.75倍的上下游最大水位差。采用倒悬堰顶，上游面直立，堰面曲线为：y=0.141439 2x1.85，堰顶上游曲线采用圆弧相接，溢流堰下游接反弧段，反弧半径10.0 m。出口采用挑流消能，挑流鼻坎顶高程1 112.53 m，挑射角15°。溢流堰坝后悬臂长度5 m。鼻坎反弧的最低点设置排水管将积水排往下游，避免结冰。溢流段设坝顶交通桥，连接两岸交通。在设计洪水位和校核洪水位下，溢流表孔的下泄流量分别为472.49 m3/s和1 874.83 m3/s，单宽流量分别为6.75 m3/（s·m）和26.78 m3/（s·m）。

排沙建筑物位于坝体中下部，由于水库含沙量高，底孔流速较大，为了减轻含沙水流对底孔的冲刷，采用钢衬钢筋混凝土结构。在上游侧设1扇检修闸门，闸门尺寸10.4 m×4.4 m（宽×高）。检修闸门检修平台设在高程1 122.60 m，与坝顶齐平，和坝顶交通相连接，检修闸门不用时锁在检修平台上。在下游侧设2扇工作闸门，每扇闸门尺寸4 m×3.4 m（宽×高），工作闸门启闭机平台设置在下游墩墙上，平台高程1 100.10 m，上面设置启闭机房，在坝后高程1 100.10 m设置坝后廊道与坝顶连接。在正常蓄水位1 109.5 m、防洪高水位1 115.33 m和校核洪水位1 121.22 m下，冲沙底孔的泄流量分别为463.93、586.3、612.34 m3/s，单宽流量分别为57.99、73.29、76.54 m3/（s·m）。

取水建筑物位于大坝左岸，根据水库淤积年限对应的淤积高程以及水库分期死水位，采用4层分层取水方式，闸阀室设在坝后。引水规模为0.1 m3/s，最大年引水量为315万m3。

2 拱坝应力、应变分析

2.1 荷载及其组合

大坝口水库改扩建工程双曲拱坝荷载主要包括温度荷载、自重、水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、冰压力、地震（0.15g）等。荷载组合采用SL 25—2006《砌石坝设计规范》表4.2.2-2砌石拱坝荷载组合。

2.2 拱梁分载法

坝体采用8拱17梁。各拱圈高程依次为：1 122.60、1 115.33、1 108.60、1 102.00、1 095.40、1 088.80、1 082.20、1 075.60、1 072.00 m。基本组合工况计算成果见表1。

表1 基本组合工况计算成果表

特殊组合工况计算成果见表2。

表2 特殊组合工况计算成果表

根据表中所列计算成果，在基本及特殊荷载组合情况下，坝体最大主压应力为3.39 MPa，位于1 072.0 m高程拱冠处下游坝面；坝体最大主拉应力为1.34 MPa，位于1 072.0 m高程拱冠处上游坝面。坝体最大拉、压应力满足规范要求。

2.3 有限元法

有限元法计算分析采用《ANSYS》结构软件，计算单元采用八结点三维实体单元、接触单元及质量元，坝体、围岩均按弹塑性计算。计算模型单元划分如图1所示。

图1 计算模型单元划分图

基本、特殊组合工况计算成果见表3、4。

表3 基本组合工况计算成果表

表4 特殊组合工况计算成果表

从表中计算结果看出，坝体最大主拉、压应力在规范允许值范围内。根据工程类比，位移值是合理的。

3 稳定分析

3.1 刚体极限平衡法

根据项目前期地勘及施工期地质编录成果，左、右坝肩岩体中缓倾角结构面不发育，亦未发现大的顺河向结构面，两岸发育的挤压破碎带规模小，性状较好。

根据SL 25—2006《砌石坝设计规范》规定，稳定应按空间问题处理，但本工程坝肩地质条件简单，无复杂滑裂面，所以，拱座抗滑稳定采用刚体极限平衡法，按照抗剪公式平面分层累计计算，若某层安全系数不满足要求时，则采取一定工程措施，再按平面分层核算该层稳定，直至满足要求。

经分析计算，基本组合（设计洪水位+温升）工况，坝肩最小安全系数为1.38，位于高程1 082.20 m拱圈，大于允许值1.3，满足要求；特殊组合（正常蓄水位+地震+温降）工况，坝肩最小安全系数为1.18，位于高程1 082.20 m拱圈，大于允许值1.0，满足要求。

3.2 有限元法

大坝口水库改扩建工程双曲拱坝同时采用了有限元法对坝肩稳定以及坝基稳定进行了核算，基本组合坝体与建基面抗剪安全系数最小值1.31，抗剪断安全系数最小值3.08，均出现在正常蓄水位+温降工况；特殊组合不考虑地震（校核洪水位+温升工况）坝体与建基面抗剪安全系数最小值1.44，抗剪断安全系数最小值2.83；特殊组合考虑地震坝体与建基面抗剪安全系数最小值1.08，抗剪断安全系数最小值2.24，均出现在正常蓄水位+地震+温降工况。各工况坝体与建基面安全系数均满足规范要求。

在各工况中，拱座安全系数均为右岸大于左岸。基本组合岩体抗剪安全系数最小值1.47，抗剪断安全系数最小值5.99，均出现在正常蓄水位+温降工况；特殊组合不考虑地震（校核洪水位+温升工况）岩体抗剪安全系数最小值1.57，抗剪断安全系数最小值6.27；特殊组合考虑地震岩体抗剪安全系数最小值1.12，抗剪断安全系数最小值5.72，均出现在正常蓄水位+地震+温降工况。各工况拱座安全系数均满足规范要求。

4 施工期温控温度、应力、稳定数值模拟分析

水工建筑物一般体积都较为庞大，施工期浇筑的混凝土内部温升值很高，大坝口水库改扩建工程双曲拱坝位于累年最冷月1月平均气温为-14.1℃，低于-10℃地区，属于严寒地区，最热月7月平均气温为22.2℃，气温年变幅大，坝体浇筑内部温升较大。研究目的是为如何采取正确的施工期温控措施，为施工期预防坝体产生裂缝提供重要的理论依据。同时，对工程总进度安排也具有重要的指导作用。

双曲拱坝除平面体形为曲线外，竖直方向体形宜为倒悬曲线，大坝口水库改扩建工程施工期采用坝体预留缺口导流。结合拱坝横缝设置，在坝体砌筑至高程1 106.0 m，采用坝体度汛，拦蓄库容243.36万m3，工程坝体度汛设计洪水标准采用20年一遇，由坝体预留缺口和排沙底孔联合泄洪。施工导流流量为1 080 m3/s。

数值模拟分析研究拱坝施工期温控温度、应力、稳定是否满足规范要求，尤为重要，对双曲拱坝坝体和岩体进行整体三维有限元计算分析。根据数值模拟分析研究成果，大坝口水库改扩建工程双曲拱坝在施工期间，坝体施工夏季不需要降温，冬季需要采取保温措施。推荐的聚苯乙烯板保温措施经建设单位审查并采用，坝体质量满足施工期越冬要求。

5 封拱温度场优化研究

在双曲拱坝坝体体形、尺寸等参数已确定的情况下，温度荷载作为拱坝的一个主要荷载，对坝体的应力、稳定及变形有较大的影响。大气温度高低是由外界条件确定的，但温度荷载的大小可以通过人为确定封拱温度场来改变。拱坝的最优封拱温度场，尤其是对位于严寒地区的拱坝来说，不仅可以消除温度荷载带来的不利影响，而且可以达到预应力的效果。如何确定最优封拱温度场，使其对拱坝应力、应变、稳定尽可能的有利，以提高拱坝的安全度是拱坝设计中的关键。利用编制多目标非线性规划及线性规划的数学模型应力、应变及稳定、温控措施费用等评价指标体系，得到最优封拱温度场多目标非线性规划结果，进行温度应力计算来解决这个问题。从而寻求对拱坝应力、应变、稳定及温控措施费用等综合最优的拱坝的体形和封拱温度场。

研究采用《ANSYS》结构分析软件，来模拟拱坝的稳定温度场，用瞬态热分析准稳定温度场，确定坝体各点在不同时刻的温度，得到整个坝体的温度场。坝体网格剖分如图2所示。

根据对各方案应力和安全系数的计算分析、比较，从应力的减小幅度、安全系数提高的幅度综合比较来看，封拱温度为5℃是最为合理和优化的。规范规定的不低于5℃的条件下封拱，在各方案优化后，以5℃封拱温度为最优。

6 结语

内蒙古大坝口水库改扩建工程已通过竣工验收。工程可保护下游3 333.33 hm2（5万亩）农田、8个村庄、4个规模以上企业、1个旗级城镇、6万人、10万头（只）牲畜，2条一级公路、3条工业用电专线的安全，确保河套灌区杭锦后旗20多万亩良田免受洪水威胁，运行期可向周边企业和城镇居民年供水300万m3，项目建设可以保障和促进该地区的国民经济发展，具有显著的经济和社会效益。