減小旭龍水電站拱壩壩體應力的研究

(1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710010； 2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

1 小組概況

QC小組成立于2015年2月，小組成員共9人，由旭龍水電站項目的主要設計人員組成，并聘請經(jīng)驗豐富的專家進行咨詢指導，是一個技術全面、專業(yè)能力強的團隊。小組多名成員曾獲得2009年、2012年全國水利優(yōu)秀及2015年國家工程建設(勘察設計)優(yōu)秀QC組長、組員稱號。

2 選擇課題

金沙江旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段。水庫正常蓄水位2302m，總庫容8.29億m3，電站裝機容量為2220MW(4×555MW)，年發(fā)電量101.14億kW·h。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高為213m。

預可研階段拱梁分載法計算得到拱壩壩體主拉應力1.2MPa，與類似拱壩工程相比偏大，拱壩安全度小，前期內(nèi)部預審查咨詢認為拱壩壩體應力需要優(yōu)化復核。為此選擇“減小旭龍水電站拱壩壩體應力”這個課題進行攻關。

3 現(xiàn)狀調(diào)查

圍繞選定的課題，QC小組成員展開了現(xiàn)狀調(diào)查。

3.1 現(xiàn)狀調(diào)查一：國內(nèi)特高拱壩壩體應力水平

QC小組成員通過查找資料等方式詳細調(diào)查了國內(nèi)高拱壩的壩體應力水平，見表1。

3.2 現(xiàn)狀調(diào)查二：主要參數(shù)取值情況

a.地質(zhì)。壩基巖性會影響壩體建基面附近應力大小及分布情況。QC小組成員調(diào)查發(fā)現(xiàn)壩基巖體復雜，巖性的描述如:Ⅲ類卸荷巖體、陡傾斷層F1及數(shù)條斷層如f75等，物理和力學參數(shù)現(xiàn)場實測值描述較少。壩址區(qū)河谷地質(zhì)橫剖面圖見圖1。

表1 國內(nèi)高拱壩設計應力水平

圖1 河谷地質(zhì)橫剖面1.沖洪積物；2.印支期花崗巖；3.雄松組三段混合巖；4.雄松組三段斜長角閃片巖；5.巖性分界線；6.斷層及編號；7.裂隙密集帶；8.卸荷帶下限

b.氣溫。旭龍水電站位于金沙江巴塘至奔子欄之間的河谷地區(qū)，該河段氣候變化劇烈，長期以來沒有設立過氣象站。壩址最近的氣象站為得榮站，由于儀器儲存、發(fā)送、斷電等原因，氣象站收集了2009年12月—2011年12月的不完整數(shù)據(jù)。2011年12月進行設備改造升級后，從2012年1月開始每月數(shù)據(jù)完整。

c.水溫。設計計算時水溫采用巴塘、奔子欄和古學水文站實測水溫擬合預測。

3.3 現(xiàn)狀調(diào)查三：旭龍拱壩應力特征分析

詳細計算結果顯示：拱梁分載法計算壩體的最大主拉應力為1.2MPa，主壓應力為9.0MPa。根據(jù)類似工程設計經(jīng)驗，拱壩壩體應力較大，壩體安全度小。

根據(jù)本工程應力特點，設計專題開展了實測基巖變模、混凝土彈模、氣溫、水溫等數(shù)據(jù)以及壩體設計封拱溫度、開挖深度等設計模型條件變化的壩體應力敏感性分析。結果顯示拱壩壩體應力對輸入計算設計數(shù)據(jù)以及壩體模型敏感。

通過現(xiàn)狀調(diào)查可以看出，旭龍拱壩壩體應力偏大，超出類似拱壩工程的“癥結”在于：計算數(shù)據(jù)不準，計算模型不合理。

4 確定目標

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，確定本課題目標為：以壩體應力為重點優(yōu)化對象，減小拱壩壩體主拉應力，將拱壩壩體主拉應力由1.2MPa減小到0.7MPa，與類似工程的應力水平相當。

5 分析原因

小組成員運用“頭腦風暴法”集思廣益，對壩體主拉應力大的原因進行分析，從地質(zhì)條件、大壩結構體型、計算輸入條件、計算方法和數(shù)據(jù)處理等五個方面進行歸納，最終得到9個末端原因，如圖2所示。

圖2 原因分析關聯(lián)圖

6 確定主因

QC小組成員通過現(xiàn)場調(diào)查以及計算分析，對得到的9個末端原因逐一進行確認，具體情況見表2。通過對末端因素的逐一分析，認為造成旭龍水電站拱壩壩體應力大的主要原因為：?基巖等效變模取值單一；?封拱溫度取值不合適。

表2 要因確認計劃

7 制定對策

針對已確認的兩個要因，QC小組經(jīng)過充分討論，提出了解決問題的可能措施，制定了對策，并對對策的具體方案、風險、預計費用以及預計效果進行了分析，見表3。

表3 對策分析

針對要因一，小組成員討論提出兩種對策，根據(jù)對策的有效性、可實施性及經(jīng)濟性進行綜合比選，最終決定采用數(shù)值計算分高程計算基巖的等效變形模量。

針對要因二，小組成員討論提出兩種對策，根據(jù)對策的有效性、可實施性及經(jīng)濟性進行綜合比選，決定采用專題研究封拱溫度的方法。

最終選定的對策見表4。

表4 對 策

8 對策實施

8.1 實施一：基巖分高程進行等效變模有限元計算

河床以及右岸基巖變形模量取值20GPa；左岸取值16GPa。結合旭龍壩址區(qū)實際基巖情況，分析認為旭龍拱壩最大壩高213m，基巖變形模量取值單一，壩體應力優(yōu)化余地較大。在拱梁分載法壩體應力分析時，需要合理確定壩基巖體的變形模量值。為此，在旭龍水電站拱壩的壩基變形模量計算中采用左右岸各分5層高程建立平面有限元模型計算壩基的等效變形模量，從而反映實際地質(zhì)條件對拱壩壩體應力變形的影響。圖3為2220m高程平面有限元網(wǎng)格，表6和表7為計算得到的拱壩左右岸典型高程等效變形模量與等效泊松比。

圖3 2220m高程平面有限元網(wǎng)格

高程/m等效變模/GPa等效泊松比2308148022722701750227222017802272170183022621201900226

表7 右岸典型高程等效變形模量與泊松比等效

8.2 實施二：專題研究拱壩封拱溫度對壩體應力的影響

初擬的封拱溫度13～17℃，隨著設計思路和邊界條件的變化，經(jīng)歷了多次調(diào)整。委托科研單位進行專題研究，研究封拱溫度對壩體應力的影響，并進行敏感性分析，形成了完整的溫度場仿真報告。表8為封拱溫度降低1℃時最大主應力變化表。專題研究最終確定的拱壩封拱溫度有所調(diào)整，具體如下：高程2145m以下12℃；高程2145～2245m之間14℃，高程2245m 至壩頂15℃。

表8 封拱溫度降低1℃最大主應力變化 單位：MPa

注正值代表應力增加，負值代表應力減小。

9 效果檢查

9.1 目標檢查

經(jīng)過QC小組專題攻關，旭龍水電站拱壩壩體應力降低。主拉應力由1.2MPa減小到0.65MPa，超出目標0.05MPa。圖4顯示了QC活動中壩體主拉應力控制目標的實現(xiàn)。

圖4 活動主拉應力目標實現(xiàn)

9.2 效益分析

a.工程效益。通過本次QC攻關，減小了旭龍水電站拱壩壩體應力，為順利通過設計審查奠定了良好基礎，可有效加快工程前期工作。

b.技術效益。QC小組解決的是理論技術問題，通過此次小組活動，提高了設計人員的業(yè)務水平，豐富了實踐經(jīng)驗，提高了創(chuàng)新能力，為類似工程的設計積累了經(jīng)驗。

10 鞏固措施

取得成效的同時，QC小組及時地制定了鞏固措施，具體如下：

a.根據(jù)小組活動成果，QC小組人員就減小旭龍水電站拱壩壩體應力等相關問題總結工程經(jīng)驗，對設計成果進行整理歸檔，便于后期查閱參考。

b.進一步研究基巖變形模量及封拱溫度對壩體應力的影響。

c.對在本次活動中運用到的一些設計思路和計算方法進行總結，并在類似工程中予以推廣。

11 總結體會

本次QC小組活動顯著減小了旭龍水電站拱壩壩體應力，增加了拱壩安全度，在活動過程中小組成員的綜合能力得到較大提高。對活動過程中用到的統(tǒng)計方法、思維方式和活動組織經(jīng)驗進行總結，便于今后更好地開展QC活動。

編者按

為規(guī)范和引導水利工程組織開展質(zhì)量管理小組活動，促進水利工程組織在改進質(zhì)量、保障安全、節(jié)能降耗、改善環(huán)境、提高素質(zhì)、創(chuàng)新增效等方面取得明顯效果，弘揚精益求精的工匠精神，中國水利工程協(xié)會于2017年6月28日，發(fā)布了團體標準T00/CWEA2—2017《水利工程質(zhì)量管理小組活動導則》(以下簡稱《導則》)。針對《導則》的發(fā)布，中國水利工程協(xié)會積極組織編制了《水利工程優(yōu)秀質(zhì)量管理小組成果技術評價工作手冊》(以下簡稱《手冊》)《水利工程質(zhì)量管理小組活動指南》(以下簡稱《指南》)，《手冊》與《指南》不久也將發(fā)布實施。

《導則》的發(fā)布和實施，以及《手冊》《指南》的編制，必將對水利工程行業(yè)質(zhì)量管理小組活動的推進產(chǎn)生深遠的影響。

為了更好地貫徹《導則》，本刊將針對《導則》標準條款的要求，陸續(xù)刊登《導則》標準條款的解讀和實施要求的分析，供讀者學習和借鑒。

本期刊登現(xiàn)場型、攻關型、管理型、服務型課題選題的要求解析。