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F7,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F5、F11、F10、F20四条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F7与F5之间。在选定的坝轴线位置,上游受F7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F5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F7断层最短水平距约50m,左坝肩抗力岩体基本避开了卸荷岩体,F5断层位于右坝肩下游100~140m、左坝肩下游200m以远。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。

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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。08t02.gif (6104 bytes)

    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。

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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。

4.1 拱坝静力分析 首先,采用传统的、与现行拱坝规范相配套的多拱梁进行计算,其结果表明,坝体在各种静力荷载组合工况下,均满足规范规定的应力控制标准;其次,分析研究了坝址区的天然渗流场和蓄水后的稳定渗流场,进行坝址区地应力场回归,建立了考虑坝址区地形、地质条件及主要软弱结构面的复杂的三维有限元计算模型,利用该模型采用线弹性有限元和非线性有限元详细地对影响坝体应力状态的各种因素(计算假定、力学参数、荷载工况、大坝分期浇筑分期蓄水过程等)作了敏感性分析。有限元非线性计算成果表明,在基本荷载组合工况下,坝体仅在底部高程上游沿建基面附近较小范围内处于受拉状态,拱冠处的主拉应力区仅占底厚的15.56%.

    对于规范尚未涉及到的高拱坝坝踵开裂问题,运用国内外最新发展起来的5种分析方法棗混凝土单元开裂分析、孔隙塑性分析、三维水—边界面元分析、薄层界面分析、无单元法开裂分析,从不同角度作了深入地研究。就目前的分析手段而言,小湾拱坝在高水位运行期,底部高程的坝踵有可能出现局部开裂现象,但裂缝的扩展是稳定的,不致危及大坝的安全。综合考虑各种分析方法揭示的裂缝可能的扩展范围,将坝底高程的灌浆帷幕尽量向下游移,布置在距上游面25m处,并且在坝体底部高程拉、压应力较大的区域采用400#高强度混凝土。

    对坝体的应力状态除进行一系列数值分析外,还做了1:250的地质力学模型试验。该模型的特点在于对地质构造的模拟和地质力学的模拟,并使用破坏试验的手段探讨大坝的破坏机制和安全储备能力。试验结果表明,大坝上游起裂为1.25~2.5Po(Po为正常水载),整体安全储备为6.5~7.0Po.

4.2 拱坝动力分析 首先仍采用与现行抗震规范相配套的多拱梁法进行计算,以校核坝体混凝土块体的抗震强度。计算结果表明,在高动应力区采用400#混凝土,无论是在高水位,还是低水位遭遇地震,坝体混凝土块体的抗拉、抗压强度均满足规范规定的承载能力极限状态设计式。其次,利用与静力分析相同的三维有限元计算模型,按传统的均匀地震输入、无质量线弹性地基进行反应谱分析和时程分析。在此基础上,在该模型上加入人工透射边界,研究地基地震能量逸散的影响和不均匀地震动输入。

    小湾拱坝自振频率低而密集,空库时的基频为1.29Hz,大于1.0Hz.库水的作用降低了系统的频率,当库水位为正常蓄水位时,坝体的基频降至0.98Hz,低于1.0Hz.坝体的第1阶振型呈反对称,第2阶呈正对称。

    按传统的均匀地震输入、无质量线弹性地基分析,坝体最大加速度响应为17.15m/s2,其放大倍数为5.68.考虑地基地震能量逸散的影响后,坝体最大加速度响应降低至10.0m/s2,其放大倍数仅为3.31.无论是否考虑地基地震能量逸散的影响,得出的坝体最大加速度响应均为顺河向,且都发生在低水位运行时,出现在坝顶拱冠或拱冠左右侧约1/4拱圈处。

    反应谱分析和时程分析给出的坝体动力的反应基本接近(当然代表的意义各不相同),二者得出一致结论:无论是上游面还是下游面,拱向动静综合拉应力由低水位控制,最大值出现在坝顶拱冠或拱冠左右的1/4拱圈处,为2.96MPa~3.03MPa;梁向动静综合拉应力由高水位控制,最大值出现在1210m高程拱冠附近,为2.5MPa~5.0MPa;拱向和梁向的动静综合压应力均由高水位控制,最大值出现在坝顶上游面拱冠附近,为-13.08MPa~-13.73MPa.

    为验证数值分析的正确性,在大型三向六自由度模拟地震振动台上,进行了1:292的拱坝连同库水的振动台模型试验。试验得出的坝体动力反应与数值计算结果基本接近。

5 拱坝抗震措施研究

    如前所述,虽然在坝体高动应力区采用400混凝土,其块体强度能满足规范规定的承载能力极限状态设计式。但拱坝是分块浇筑,靠横缝灌浆后才形成整体结构,坝体中存在的40余条伸缩横缝,其抗拉强度较混凝土块体强度要低得多。在地震工况下,以拱向受力为主的坝体上部高程将会出现拉应力,已封拱灌浆的横缝势必随往复变化的地震作用而不断开合,从而局部地破坏坝体的整体结构。为此,围绕横缝抗震问题开展了一系列研究,分别采用新近发展起来的3种分析方法棗三维非线性缝单元分析、非线性地震波动分析、非线性拱坝与边界元棗无限边界元地基模型分析以及振动台模型试验,从不同角度分析研究在地震工况下,坝体横缝将出现的张开状态。

    3种数值分析和振动台模型试验研究均表明,在强震作用下,坝体横缝将会张开。但由于横缝受不断变化的拉压应力控制而呈现的“渐开渐合”特性,使拱坝的强震反应成为一个复杂的非线性动力问题,计算涉及因素较多,得出的张开度依赖于对横缝的模拟(条数和间距等)、分析方法、地震输入以及各种参数的选取。根据非线性拱坝与边界元棗无限边界元地基模型分析,在模拟25条横缝,且拱冠附近的横缝间距约为20m(接近设计)的情况下,横缝最大张开度为14.7mm.而采用动接触方法,考虑地基地震能量的逸散影响后,仅在模拟14条横缝的情况下,横缝最大张开度便降至10.04mm.这样的张开度仍在横缝止水允许的范围内。实际设计的坝体横缝多达40余条,在数值分析中不可能完全模拟,而且,在分析中均未考虑横缝的抗拉强度,实际上横缝是经过良好的灌浆且缝面并非为一平面,计算出的横缝最大张开度应该说偏于保守。因此,从控制横缝的张开度,以防止止水破坏的角度看,不一定要采取专门的工程措施。

    考虑到抗震分析存在许多不确定性,而小湾拱坝坝高,库容大,为确保大坝的抗震安全,仍然有必要采取适当的工程措施.此外,横缝张开后拱向应力明显降低,页梁向应力有所恶化,若完全允许横缝自由张开会造成拱、梁应力分布极不均衡。从限制横缝的张开度,调整拱梁应力的荷载分配角度看,也有必要采取一定的工程措施.首先拟定小弯拱坝抗震钢筋的初步设置方案(钢筋量约2万t),然后采用非线性地震波动分析方法和振动台模型试验对该方案进行分析研究,同时还研究了将初步配筋量提高1倍、3倍的方案。在拱坝中上部高程设置抗震钢筋后,横缝的张开度明显减少。采用非线性地震波动分析方法,按初步配筋方案设置钢筋,其横缝的最大张开度从原10.04mm降至6.57mm,约减少了35%.若将该配筋量增至3倍时,横缝最大张开度仅为3.81mm,减少了约62%.

    根据各种数值分析结果和模型试验成果,并考虑到要确保小湾拱坝的抗震安全,小湾拱坝基本的抗震工程措施为:(1)在坝体动力反应较大的坝顶两拱端和中上部高程拱冠附近采用400#高强度混凝土;(2)在坝体中上部高程设置抗震钢筋,钢筋量在初步方案的基础上增加1倍,约4万t.水平向钢筋贯穿于坝体并锚固在两岸坝肩岩体内,在横缝左右4m范围内将钢筋与混凝土隔开,使其自由伸缩,并维持钢筋在弹性范围内变形。考虑到设置水平向钢筋会使拱向承载能力得到一定程度的恢复,但对于梁向应力的改善效果并不明显。因此在设置水平向钢筋的同时,也设置一定数量的竖向受力钢筋;(3)在横缝中设置具有结构变形性能的新型止水,以适应地震作用时横缝的多次开合。

6 结论

    拱坝的体型设计首先采用多拱梁法做方案初选,然后用有限元法进行优化。对于选定体型,采用传统的、与现行规范相配套的多拱梁法进行计算,其结果表明,坝体在各种荷载组合工况下的动、静应力均满足规范要求。并采用线弹性和非线性有限元详细地分析研究了坝体的动、静应力状态,并按强度进行坝体混凝土等级分区。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,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或减少坝踵开裂的工程措施以及抗震工程措施。