淺談對數螺旋線拱壩的壩體應力分析

沈 建

(福建省華銘工程咨詢有限公司，福州 350000)

0 引 言

我國修建水庫歷史悠久，尤其是新中國成立后，建成了數以萬計的大、中、小型水庫，這些水庫發揮著防洪、灌溉、發電、供水等作用的同時，也為人們展現了美麗獨特的水庫風景。經過幾十年的發展，我國水庫工程目前已從大規模建設逐步轉向安全運行管理。大壩安全鑒定是水庫安全運行管理工作中的重要一環，而在拱壩的安全鑒定工作中，壩體應力分析工作是重中之重。筆者在此類工作中的常用方法是采用浙江大學水工結構研究所編制的拱壩分析與優化軟件系統ADAO，涉及的拱壩多為單心圓和三心圓等常見類型的拱壩。對數螺旋線拱壩作為不太常見的拱壩類型，拱圈變化相對更加復雜，文章通過工程實例，對原設計已有參數進行相應的轉換，使用ADAO軟件進行應力計算，同時結合歷史資料進行分析[1]。

1 項目概況

龍虎岔水電站壩址位于福建省屏南縣屏城鄉大碑村大碑溪支流龍虎岔河段上，水電站壩于1998年8月20日動工興建，2002年7月完工，距廠房5km，是一座以發電為主的小(1)型水庫。水庫工程水庫壩址以上集雨面積35.55km2，正常蓄水位為1091.00m(黃零高程)，死水位1064.00m，總庫容808萬m3，為年調節水庫。水庫設計洪水標準為30a一遇設計，200a一遇校核，相應洪水位分別為1092.51m和1092.94m。根據原始資料及現場實測復核，大壩為對數螺旋線型雙曲漿砌石拱壩，大壩基礎高程1042.00m，壩頂高程1093.60m，最大壩高51.60m，壩頂中心弧長152.10m，壩頂中心角78.22°。大壩起拱高程為1042.00m，基礎設70cm厚150#混凝土墊層，壩腹為150#細石混凝土砌塊石。壩基出露的巖性為燕山早期似斑狀細粒花崗巖，其次為侵入其中的輝綠巖脈，多為弱風化，質堅硬。

原設計采用中國水利水電科學研究院的拱壩應力計算程序按多拱梁法進行壩體應力計算，計算工況：正常蓄水位+自重+淤沙壓力+溫降、校核洪水位+自重+淤沙壓力+溫升及死水位+自重+淤沙壓力+溫升三種工況，應力控制值拉應力：拱冠為1.20MPa，其他部位1.00MPa；壓應力：基本組合和特殊組合均為4.00MPa。計算結果最大主壓應力為3.984MPa，最大主拉應力為1.063MPa，最大應力主要出現在拱冠梁的位置。

2 計算參數

2.1 壩體形體參數

拱壩水平拱圈中心線對數螺旋線曲線方程為

ρ=Aekφ

(1)

e=2.71828，k=0.75355405，φ以弧度計；

拱圈變厚規律：

T=(S/SA)3×(TA-TO)+TO

(2)

式中：TA、TO分別為拱端、拱冠厚度；S、SA分別為計算點處中心弧長、拱端處中心弧長。

拱冠梁中心線方程：

Yc=0.194598083×Z+0.696970474×10-3×Z2-0.865871725×10-4×Z3+40.000

(3)

拱冠梁厚度方程：

TO=0.221157476×10-1×Z-0.732459404×10-3×Z2+0.496146517×10-4×Z3+2.852

(4)

壩體具體形體參數如表1所示。

表1 壩體形體參數表

2.2 特征水位

正常蓄水位：1091.00m；

設計洪水位：1092.51m，相應下游水位1050.76m；

校核洪水位：1092.94m，相應下游水位1051.57m；

死 水 位：1064.00m。

2.3 物理參數

基巖變形模量：12.0Gpa；

基巖泊桑比：0.25；

壩體容重：24.0KN/m3；

壩體彈性模量：10.0GPa；

壩體泊桑比：0.26；

熱線脹系數：0.8×10-5/℃；

淤沙高程：1057.50m；

淤沙浮容重：9KN/m3；

淤沙內摩擦角：20°；

溫度參數修正公式：Tm=±47/(T+3.39)；

地震烈度：Ⅵ度。

3 計算分析

3.1 荷載組合

工況(1)：正常蓄水位+溫降+自重+淤沙壓力

工況(2)：死水位+溫降+自重+淤沙壓力

工況(3)：設計洪水位+溫升+自重+淤沙壓力

工況(4)：死水位+溫升+自重+淤沙壓力

工況(5)：校核洪水位+溫升+自重+淤沙壓力

3.2 應力計算

采用浙江大學水工結構研究所編制的拱壩分析與優化軟件系統ADAO，建立9拱19梁的網格系統進行計算。經計算分析，拱壩各工況下應力計算成果見表2。

表2 壩體應力分析成果匯總表

從表2中可以發現，工況(1)拱壩周邊的拉應力較大，超過原設計控制值，具體應力計算成果見表3。

表3 工況(1)上游面應力成果表

3.3 應力分析

根據《砌石壩設計規范》(SL25-2006)，應力控制指標按照150#混凝土砌塊石(石料飽和抗壓強度Rs取50MPa)壩體進行選取，其拉應力控制參考值：拱壩周邊為1.35Mpa，其他部位1.20MPa；壓應力容許值：基本組合為4.70MPa，特殊組合為5.50MPa。

從計算成果來看，各工況主壓應力均小于相應控制值，主拉應力在工況(1)上游面拱冠梁底部區域出現大于控制值的情況，通過相應的應力等值線圖可以更直觀的看到應力分布情況，詳情見圖1。

圖1 工況(1)上游面應力等值線圖

從圖1可知：①上游壩面應力等值線無突變、交叉，整體應力分布均勻有序；②應力超標區域主要集中在拱冠梁底部。

計算成果顯示上游面拱冠梁底部存在一定的拉裂隱患，但應力超標區分布集中，點位面積及對壩面的占比均較小，拉應力超標區對壩體的總體應力安全影響較小。

通過查閱歷史資料，2008年大壩安全評價采用陳正作等建立的拱壩通用程序(GADAP28)，建立9拱21梁的網格系統進行了應力復核計算。計算結果顯示，同工況下的整體應力分布與本次計算成果一致，相同區域也出現了拉應力大于控制值的情況。對比原設計資料，可以發現不同計算程序得出的應力成果值是有所差異的，但整體趨勢是一致的，主拉應力區和主壓應力區的位置符合拱壩應力分布的一般規律。

工程原設計施工過程質量保證材料顯示，壩基處理及壩體砌筑均被評為優良。大壩運行已近20a，經歷多次高水位考驗，壩體整體結構良好。

通過以上分析進行綜合研判，可以認為大壩應力能夠滿足安全運行要求，局部超標區不影響大壩應力安全[2]。

4 結 語

運用計算機軟件處理水庫大壩應力分析工作，在保證成果合理性的同時，能夠大大提高效率。因此，因對相關參數簡化和設定的差異，不同軟件得出的計算結果亦有所差異，但整體趨勢是基本一致的。對數螺旋線雙曲拱壩作為拱圈變化較為復雜的壩型，在對其進行應力計算分析時，ADAO軟件展現了較為完備的曲線庫和強大的處理能力。建議技術人員在此類工作中，綜合分析計算軟件得出的數據、圖表等，同時結合歷史資料以及實際運行情況，對壩體應力情況作出全面可靠的評判。