小湾高拱坝世界最高

世界上最高的拱坝——小湾混凝土双曲拱坝

邹丽春，傅树红

(国家电力公司昆明勘测设计研究院)

摘要：本文论述了小湾拱坝的布置设计、体型优化以及对坝体动、静应力状态的分析研究。对于目前规范尚未涉及到的高拱坝坝踵开裂问题以及在高烈度地震作用下坝体横缝的开合问题，文中采用国内外最新发展起来的多种分析方法和模型试验，从不同角度作了深入地研究。在此基础上，提出了小湾拱坝防止减少坝踵开裂的工程措施以及抗震工程措施。

关键词：小湾拱坝；体型优化；应力分析；工程措施

作者简介：邹丽春(1961-)，女，教授级高级工程师，主要从事水工建筑物设计

1工程概况

小湾水电站位于云南省西部澜沧江中游河段，系澜沧江中下游河段规划八个梯级电站中的第二级。小湾水电站是以发电为主，兼有防洪、灌溉和库区水运等综合效益的水利枢纽。总库容151亿m3，有效库容99亿m3，库容系数0.26，属不完全多年调节水库。电站总装机容量4200MW，年发电量189亿kW·h.小湾地区的地震烈度主要受外围与红河断裂、澜沧江断裂和南汀河断裂有关的三个地震危险区地震的影响，其地震基本烈度为Ⅷ度，地面峰值加速度为0.308g.拦河大坝采用混凝土双曲拱坝，最大坝高292m，为目前世界上拟建中的最高拱坝(见图1).泄洪消能建筑物由坝身5个开敞式表孔溢洪道、6个中孔泄水孔、2个放空底孔、左岸2条泄洪洞组成，坝后设水垫塘和二道坝。设计泄洪流量15666m3/s，校核泄洪流量20683m3/s，相应下泄功率46000MW，泄洪消能问题突出，属同类坝型当今世界之最。引水发电系统位于右岸，由竖井式进水口、埋藏式压力管道、地下厂房、主变开关室、尾水调压室和尾水隧洞等建筑物组成。压力管道内径9.6m，地下厂房安装6台700MW混流式水轮发电机组，长326m，宽29.5m，最大高度65.5m.

2拱坝布置

坝址处河谷基本对称，河谷深切呈“V”字型。正常蓄水位处天然河谷宽约720m，天然河谷宽高比为2.74.两岸山体雄厚，高出河面100m以上，为坝高的3～4倍。两岸山坡陡峻，岸坡角左岸35°～45°，右岸40°～42°。大部分地段基岩裸露，河床冲积层厚16～28m.坝基及坝肩抗力体范围内基岩主要为致密的角闪斜长片麻岩和黑云花岗片麻岩。片麻节理走向基本与河流垂直，陡倾角，倾向上游。岩性坚硬，Ⅰ、Ⅱ类岩体湿抗压强度均大于130MPa，变形模量1.5～3.2×104MPa，纵波速一般在4500m/s以上。

除有一条Ⅱ级断层F

7，位于坝址上游侧穿过枢纽区外，在坝基及抗力体内主要分布有F

5

、

F

11、F

10

、F

20

四条Ⅲ级断层。根据坝址区地形、地质条件，综合考虑枢纽总布置、拱坝体

型、坝肩稳定等诸多因素后，选定小湾拱坝坝轴线位于断层F

7与F

5

之间。在选定的坝轴

线位置，上游受F

7

断层、右岸电站进水口，左岸坝前堆积体的限制，下游受左岸坝后卸

荷岩体、右岸F

5

断层等条件的限制，可供布置拱坝的水平位置有限。经过20余个方案

的比选，选定的拱坝位置上游坝踵距F

断层最短水平距约50m，左坝肩抗力岩体

7

断层位于右坝肩下游100～140m、左坝肩下游200m以远。

基本避开了卸荷岩体，F

5

该方案较好地协调了拱坝布置与枢纽总布置以及坝肩稳定条件之间的关系。

图1拱坝剖面(单位:m)

3拱坝体型设计

3.1体型优化方法及应力控制标准目前国内的拱坝体型优化，通常采用传统的多拱梁法。但对于象小湾这样的高坝，坝体在静力荷载作用下坝踵拉应力和坝趾压应力均较大，而且在动力荷载作用下坝体上部的动力反应也较大。多拱梁法限于对地基的Voget假定，在揭示高拱坝坝踵、坝趾以及顶部拱冠和拱端等关键部位控制性的动静应力状态方面存在一定的局限性。为此，小湾拱坝的体型设计首先采用多拱梁法做方案初选，然后用有限元法进优化。为确保小湾拱坝安全、可靠，在体型设计上遵循留有适当余地的原则，多拱梁法的应力控制标准仍采用现行规范对200m以下拱坝的要求，即：在基本荷载组合工况下，允许主拉应力为1.2MPa，允许主压应力为10MPa.本文运用AUTOLISP语言开发研制了一套复杂图形的数值化处理程序，该程序能够在AUTOCAD和大型结构分析软件环境下交替运行，实现了高效自动剖分具有复杂地形、地质条件的高拱坝整体三维有限元网格。

用有限元法进行高拱坝体型优化的另一问题是应力控制标准。高拱坝在静力工况下控制性的拉、压应力均位于坝体底部的建基面附近，而这些部位往往是有限元分析中的角缘应力集中区，其最大值随网格的变化而变化，并不是一个定值，特别是拉应力。显然，强调个别点的并不确定的应力数值是没有意义的，有限元的应力控制标准不能以此来定。为研究这一问题，本文分析比较了3个不同的网格模型(沿坝体厚度方向、拱向和梁向分别划分不同的单元)，计算结果表明(见图2)，虽然随着网格的加密，建基面附近的应力集中现象显得十分突出，但其拉应力区和较大压应力区的范围则基本保持不

变。据此，在小湾拱坝的有限元法优化中，应力控制标准采用的是控制拉应力区和较大压应力区。

图2拱冠梁底部第一主应力

3.2拱坝体型优化在体型优化中只是将地震作用作为一种因素来考虑，而并不将其作为控制条件。对于仍存在的较高动应力问题，采取抗震工程措施来加以解决。此外，由于坝体混凝土浇筑量大、浇筑时间长，维持施工期坝体的稳定也十分重要。因此,在体型优化中同时考虑了控制正常运行期和施工期的坝体应力水平。

图3代表方案拱冠梁剖面

双曲拱坝体型取决于水平向曲率、纵向曲率及坝体厚度分布。在满足枢纽总布置要求及维持较好的坝肩稳定条件的前提下，首先采用多拱梁法对坝体的水平拱圈型式(三心和五心圆、椭圆、对数螺旋线、双曲线、抛物线、混合线、统一二次曲线)进行了比选。由于受地形、地质条件及枢纽布置的限制，坝体水平向曲率的调整裕度不大，因而坝体应力状态对水平拱圈的型式并不敏感。相比之下，抛物线型拱坝比较能适应特定的小湾拱坝布置的各种限制条件，且坝体应力状态较好，经深入研究后，选定小湾拱坝水平拱圈型式为抛物线型。

在水平向曲率受到限制的情况下，坝体纵向曲率和坝体厚度分布的设计变得尤为重要。在保持多拱梁法应力控制标准一致的前提下，研究比较了多种方案，图3为三个代表方案的拱冠梁剖面。方案(1)坝体纵向曲率较小，加大坝体中上部厚度，使坝体基频有所提高，刚度增大，动力反应较小，但在坝体方量大幅度增加的情况下，坝踵的拉应力区和拉应力数值仍较大；方案(2)加大坝体纵向曲率，降低凸点高度，充分利用坝体上部水体压重和下部坝体倒悬，增加坝体底部的整体厚度，使高水位时坝踵的拉应力区和拉应力数值有所降低，由于加大了坝体上部倒悬，坝体在施工期和低水位运行期下游面的应力状态也较好，但坝体纵向曲率较大，在自重作用下中上部高程的上游面拱冠附近就已出现拉应力，坝体动力反应较大、动、静综合拉应力较大；方案(3)坝体纵向曲率比方案(2)略有减少，而加大拱冠梁中下部厚度，使坝体在静力工况下的应力状态与方案(2)相当，而动力反应较方案(2)小。经综合比较，选择方案(3)为小湾拱坝体型。该体型坝体方量约为750万m3，厚高比0.25，单位坝高柔度系数12.72，拱冠梁底宽72.91m，顶宽12.0m.

4拱坝应力分析

在上述体型优化中虽然对各方案均做过一些应力计算，但其深度仅只限于对比分析。为深入研究选定体型的动、静工作性态，针对该体型开展了较为全面地数值分析和模型试验研究。