周公宅水库混凝土双曲拱坝体形优化设计

周公宅水库混凝土双曲拱坝体形优化设计徐建军，徐建荣，何明杰(中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014)摘要：周公宅水库犬坝为抛物线形混凝土双曲拱坝。

最大坝高125．5m。

根据该工程河谷宽、温差大、水位变幅大的特点，对拱坝的前倾度、拱冠梁剖面厚度、拱圈中心角、拱端加厚等方面进行了研究，采用拱梁分载法和线弹性有限元法对拱坝进行了全面的体形优化和分析，取得了适应周公宅坝址的优良拱坝体形。

关键词：双曲拱坝；有限元分析；体形优化设计；周公宅水库Shape O pt i m i z at i on of Z hougongzhai D oubl e C ur vat ur e A r ch D a mX u Ji anj un，X u Ji anr ong，H e M i ngj i e(H ydroC hi na H uad ong Engi nee r i ng C orpor at i on，H angz hou Z hej i ang310014)A bst ra ct：Z hougongz ha i con cr e t e doubl e cur vat u r e ar ch da m i s i n par ab ol i c s ha pe w i t h m a xi m um hei ght of125．5m．Th e f r ont l ean．s ect i on t hi ckness of t he cl ow n cant i l eve r,cen”al an sl e of ar c h r i ng and ar c h abut m e nt t hi ckness of t he da m w e r e st ud i ed af t er con si de r i ng t he s i t e condi t i ons of w i der r i ver val l ey，l且r s er t e m pera t ure di f f er ence and l arger w at er l ev el r an ge．The f inal sha pe of da mi s de t erm i ne d byus i ngar ch—ca nt i l ever m et ho d a nd l i near elas t ic f i ni t e e l e m e nt m et hod f or anal y si s and opti m i zat i on．K e y W or ds：doubl e cur ve d ar c h dam；f i ni t e e l e m e nt anal ysi s；shape op t i m i zat i on；Z ho ugon gzha i R e ser v oi r中图分类号：T V642．42(255、文献标识码：A文章编号：0559—9342(2010)08-0031--041工程概况周公宅水库坝址位于浙江省宁波市鄞州区章水镇周公宅村附近．所处流域为甬江奉化江上的支流樟溪．距宁波市约51km。

离下游皎口水库约15 km。

坝址以上控制流域面积132km2，水库总库容1．12亿m3，电站装机2x6．3M W，具有供水、防洪结合发电等综合利用效益。

周公宅水库为二等中型工程。

水利枢纽主要由拦河坝、泄洪及放空(水)建筑物、引水隧洞及发电厂房等组成。

拦河坝采用抛物线形混凝土双曲拱坝，最大坝高125．5m，大坝为2级建筑物，按500年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。

坝址地震基本烈度为Ⅵ度。

2拱坝建基面的确定坝址河谷深切呈“V”字形。

两岸山体雄厚，地形基本对称，地形坡度350～45。

；～般(125m高程)河面宽35—40m：正常蓄水位233m时河谷宽340m。

天然河谷宽高比为2．92。

坝址出露的主要地层为中生界侏罗系晶屑玻屑熔结凝灰岩(J3d)、蚀变岩(J3d(s))，局部岩脉侵人，及少量第四系冲洪积和残坡积物。

熔结凝灰岩致密坚硬。

抗风化能力强，岩体风化浅薄，局部受断裂构造影响风化相对较深。

出露基岩多为弱风化岩，部分为微风化岩，全～强风化岩仅局部分布，一般厚1～3I n。

局部较厚，为5～10m。

弱风化岩下限埋深为：左岸180m高程以上5m左右．以下8一12 m；右岸180m高程以上2-6m，以下6—16m。

局部达26i n。

河床清除漂卵砾石后即为微风化岩。

相对隔水层顶板(q≤l Lu)埋藏一般较浅。

根据坝肩岩体物理力学特征和对其承载能力的收稿日期：2009-08埘作者简介：徐建军(1972-)，男，浙江海盐人，教授级高工。

一级注册结构工程师．从事水电工程设计工作．W a t e r P ow e r V oL36N o．8阿罨二i：：二翻竺：竺：=：：：：分析研究。

拟定拱坝中、下部建基面采用微风化岩体．对于近坝顶的上部和其他部位的局部基础，适当利用弱风化的下段岩体。

按上述标准，并经拱座稳定复核。

确定拱坝两岸坝肩嵌入深度和河床建基面高程。

拱坝河床建基面高程为115．0m，各高程拱圈两岸嵌入山体的深度见表1。

通过分析，坝基综合变形模量分5个区。

综合变形模量为15．O一17．0G P a。

表1拱坝各高程拱圈两岸嵌深r n 高程240226208190170155140125左岸嵌深6．56．84．018．923．036．529．020右岸嵌深8．512．216．520．929．028．928．512．5 3拱坝体形设计条件的特点(1)地形条件。

周公宅坝址为深切“V”字形河谷，两岸地形基本对称，地形坡度为35。

一45。

．天然河谷宽高比达2．92。

为典型的宽河谷地形。

(2)气温。

坝址多年平均气温16．3℃。

月平均最高气温28℃。

出现在7月，月平均最低气温4．8℃，出现在1月，气温年变幅较大。

水温年变幅稍小于气温年变幅。

(3)水库运行条件。

周公宅水库正常蓄水位233。

0m，设计洪水位(尸=0。

2％)239．57m，坝顶高程240．00m。

由于水库主要功能为供水，供水死水位很低。

为147．0m。

正常消落深度和死水位到设计洪水位的距离分别占坝高的68．5％和73．8％，运行工况十分不利。

正常消落深度86I T I，超过已建的龙羊峡水库(70m)和康特拉水库(80m)，更重要的是其最大消落深度占坝高的73．8％。

远大于一般拱坝(20％～40％)。

4拱坝体形优化设计4．1拱冠梁前倾度分析针对拱坝体形设计条件的特点．首先进行拱冠梁前倾度的分析比较。

由于周公宅坝址河谷较宽。

拱坝河床段梁向作用明显，宽河谷地形的拱坝宜优先考虑前倾体形。

例如同属宽河谷的紧水滩拱坝。

对周公宅拱坝拱冠梁前倾度的分析表明．采用前倾的体形对上游坝踵有压紧的趋势．明显减小了上游坝踵拉应力。

但由于水库供水死水位非常低，水位最大消落深度占坝高的73．8％，在死水位+温升工况下。

拱坝向上游侧位移．大坝下游低高程部位会产生较大的拉应力。

因此与一般发电水库不同。

周公宅水库死水位+温升工况也成为拱坝体形设计的主要控制工况，拱坝体形也不宜过于前倾。

通过多个案的比较，周公宅拱坝采用适度前倾的拱冠梁剖面。

固W at er Pow er V01．36№84．2拱冠梁剖面厚度优化(增加中上部厚度。

减小底部厚度)根据对初步设计阶段拱坝体形的分析发现，由于周公宅坝址河谷较宽．按常规拱坝剖面设计的拱坝中上部拱的刚度较小．承担水推力的份额较小，总体应力水平较高的部位集中在坝体中下部，未能充分发挥中上部拱圈的作用。

招标阶段根据以上分析并结合节省混凝土量的要求。

拟定了4种拱冠梁剖面方案，分析拱冠梁剖面对拱坝体形的影响。

4个方案对应的坝体混凝土量依次递减。

4个拱冠梁剖面变化趋势为拱坝底宽从28．74m逐渐变为26．0 I T I；根据宽河谷拱坝的特点，拱冠梁中上部依次适当加厚。

以增加中上部拱圈的作用。

各方案拱冠梁剖面见图l。

里24Q．鲤,7226．00里2Q8艘口190．00v170．00v155．00x7140．00里l Zj：螋里l l§：Q Q方案1(初级)方案2方案3方案4图14个方案拱冠梁剖面示意(单位：m)通过对4个不同拱冠梁剖面拱坝体形的应力应变分析表明，从方案1～方案4，随着拱冠梁剖面的逐渐减薄．坝体混凝土量依次递减。

坝体整体应力水平逐步提高．趋向规范允许值。

同时，随着拱坝中上部拱圈厚度的增加，加大了中上部拱圈的刚度，增强了中上部拱的作用。

使中上部拱圈承担更多的水推力。

方案4拱坝总体应力分布更均衡，较充分地发挥了各高程拱圈的整体作用。

4．3拱圈中心角优化f增大中上部拱圈中心角)通常双曲拱坝拱圈中心角在拱作用力较强的中部为最大，上部拱圈由于拱作用力有限，中心角相对较小。

如前所述，周公宅坝址很宽，需要增加中上部拱圈的拱作用力。

另外，坝址岩性主要为熔结凝灰岩，岩体致密坚硬，抗风化能力强，岩体风化浅薄，坝址断层中等发育，但规模均较小。

无结构面构成的影响坝肩稳定的楔形体，坝肩稳定条件好。

因此。

可充分利用坝址坝肩稳定条件好的特点．加大中上部拱圈的中心角，拱坝160．0～240．0m高程(近2／3坝高)拱圈中心角均保持在90。

～960范围内。

4．4拱端加厚拱坝在基础处受到强烈的约束，产生很大的弯三：：：三：竺=兰三：!：竺兰兰竺J二竺：三：竺：竺：：：：兰兰：!墨誓i；==j li一剪扭作用，应力条件十分复杂。

周公宅双曲拱坝较薄，拱端加厚有利于改善靠近基础部位的坝体的应力状态，并改善坝肩的受力条件。

拱坝中部拱圈的荷载和应力均较大，是拱端加厚的主要部位，加厚的幅度最大，加厚比例约为20％～30％；上部拱圈由于拱作用力相对较弱。

应力也较小．主要受拱的刚度控制。

故拱端一般不加厚或少加厚：下部拱圈拱作用力较小，厚度同时受梁向要求，本来就比较厚，因此相对加厚较小，加厚比例为10％一15％。

4．5设计体形优化拱坝体形采用抛物线形双曲拱坝．属于变曲率拱坝。

可以通过调整拱圈各部位的曲率，来解决应力与稳定之间的矛盾。

在弯矩较大的拱冠部位加大曲率。

在弯矩较小的拱座附近减小曲率，这样既可改善坝体应力状态，又可使拱端推力向两岸山体偏转，有利于增强拱座的稳定性。

根据确定的拱坝建基面和体形优化思路．经拱梁分载法和三维线弹性有限元法优化．确定了周公宅拱坝的最终体形，拱坝体形参数见表2。

大坝坝顶高程240．0m。

实际开挖后坝底高程114．5m，最大坝高125．5i n。

拱冠梁顶宽6．72I n，底宽26．25 I l l，拱冠梁厚高比0．21．坝顶中心线弧长457．3m。

弧高比3．66，最大中心角96．02。

，坝体混凝土量57．9l 万m3，拱坝柔度系数(中面)18．50。