旭龍水電站特高拱壩設計

摘要：旭龍水電站特高拱壩壩高213 m，壩址地震烈度高，兩岸地形與壩基地質條件復雜，拱壩設計工作難度大。為此，采用多種數值分析與模型試驗等方法，對拱壩建基面選擇、體形及拱端優化、拱冠梁等壩體體形設計、壩體抗震性能分析、泄洪孔口結構影響、壩體強度與壩肩穩定安全評價等一系列關鍵技術問題進行了深入研究。研究認為：壩體應力、拱壩-壩基整體承載力、壩肩抗滑穩定經一系列優化設計及壩基處理加固后均滿足規范要求，具有較大安全裕度。設計方法與設計原則可供同類高拱壩工程參考。

關 鍵 詞：雙曲拱壩；拱壩體形；泄洪孔口；防震抗震；旭龍水電站

中圖法分類號：TV61 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.026

0 引言

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，是金沙江上游河段“一庫十三級”梯級開發方案中的第12級，是中國“十四五”期間開工建設的裝機規模最大的水電站，工程開發任務以發電為主。水庫總庫容8.47億m³，電站總裝機容量2 400 MW，為Ⅰ等大（1）型工程。樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、地下引水發電系統及過魚設施等組成。

旭龍拱壩壩頂高程2 308 m，最大壩高213 m，大壩為1級建筑物。泄水建筑物全壩身布置，由3個泄洪表孔、4個泄洪中孔和1個生態放水孔組成，壩下設水墊塘消能，右岸布置引水發電系統與過魚設施，左岸布置導流洞，樞紐布置如圖1所示。

通過比選確定樞紐布置及壩線位置后，結合壩址處地形地質特征，進行旭龍混凝土雙曲拱壩設計^［1］。場址地震烈度高、兩岸地形地質條件復雜且差異性較大、全壩身泄洪等因素，給旭龍拱壩設計帶來了較高難度的挑戰。通過綜合考慮并解決拱壩抗震安全與體積方量適中、壩體形態與孔口結構對稱協調、大壩應力安全與地基整體穩定等多方面問題，優選確定了旭龍拱壩體形及主體結構設計方案。

旭龍混凝土雙曲拱壩采用拋物線型，壩頂高程處河谷寬357 m，壩頂下游弦長411.8 m，弦高比1.93。中心線弧長471.4 m，弧高比2.22。拱冠處壩底厚度46.2 m，厚高比0.217。頂拱中心角86.4°，最大中心角93.6°。拱壩中心線與泄洪中心線重合，壩身表、中孔在平面上沿中心線軸對稱布置，表孔為開敞式溢流堰，中孔采用有壓管型式，生態放水孔布置于泄洪表孔右側壩段。

1 壩址地形地質條件

旭龍水電站工程區域地跨川、滇、藏兩省一區，屬青藏高原強烈隆起區，區域構造十分復雜，斷裂發育、規模大、活動性較強，新構造運動及現今構造活動強烈，地震活動強度大，頻度較高，為中國西南強地震活動區之一。旭龍拱壩處在金沙江結合帶的德仁多—地巫穩定性較差地塊內，壩址50 a超越概率10%和100 a超越概率2%、1%的基巖水平向峰值加速度值分別為0.176 g、0.410 g、0.497 g。

旭龍壩址為典型的“V”形谷，河谷寬高比為1.82。大壩所在河段總體順直，兩岸邊坡呈多級山脊態勢且走向與金沙江流向基本一致。壩基巖體以印支期花崗巖為主，左岸近壩肩下游側為斜長角閃片巖，右岸近壩肩上游側為混合巖。

河床分布一定厚度覆蓋層，主要為碎塊石或漂卵石夾礫砂，下伏基巖為花崗巖及少量混合巖條帶，巖石堅硬、弱風化至微新狀。河床部位總體屬中等地應力水平，局部鉆孔存在巖芯餅化現象，河床壩基開挖后可能出現應力松弛、卸荷回彈現象。

兩岸壩基巖體和拱座巖體范圍內揭露斷層以陡傾角橫河向為主，規模均較小。左岸近壩基下游側斷層發育，巖體完整性差，沿f₇₅斷層分布有裂隙密集帶并與f₅₇等斷層及緩傾結構面切割組合，影響大壩拱座穩定。右岸壩基巖體巖質堅硬，上游側沿f₂₆斷層分布云母富集帶，經判斷其貼近但未進入拱座推力作用范圍內，僅影響拱肩槽上游側邊坡穩定。右岸地質條件優于左岸，地形方面存在右岸大壩中上部邊坡陡立的狀況，兩岸地形地質條件總體差異性較大。

2 拱壩體形設計

2.1 基于地質要素的建基面選擇

旭龍拱壩建基面的擬定，結合了壩址實際地形地質條件與國內已建高拱壩工程經驗，首先明確提出壩基可利用巖體、建基面形態、拱端定位3個方面的適用性原則。對河床與兩岸建基面分別進行了研究，按照該原則確定了旭龍拱壩各高程壩基利用巖體的類別及對應嵌深的建基面方案。

河床建基面方案主要確定壩基底面高程。河床基巖頂板以下的Ⅲ類巖體完整性差，裂隙發育，不宜作為大壩下部的建基巖體。Ⅱ類巖體則更為完整，工程地質性狀好，是良好的大壩建基巖體。同時根據河床部位勘探鉆孔中餅狀巖芯分布情況，以2 095 m高程為界，其上裂隙較發育，巖體縱波波速值較低^［2］，局部存在巖芯餅化現象，應力集中現象較為明顯，其下未卸荷完整巖體工程地質性狀好，故選擇2 095 m作為河床建基面高程。施工過程中擬采用預留保護層的開挖方式，對河床建基面附近可能出現的餅狀巖體進行挖除，對其下部巖體進行固結灌漿。

大壩兩岸建基面的擬定分為拱壩中下部、上部以及左岸、右岸4個區域分別進行。拱壩中下部作為拱端推力作用主要的分布區域，該部位建基巖體利用原則與河床保持一致，采用Ⅱ類巖體。對壩基出露斷層引起的局部地質缺陷，采用混凝土置換處理并對周圍加強固結灌漿。拱壩上部拱向作用力水平明顯降低，兩岸建基巖體以Ⅱ類巖體為主，局部可利用Ⅲ類巖體，在保證壩基巖體質量前提下，能夠優化縮短壩頂弦長，減少拱壩壩體混凝土與壩頂以上邊坡開挖，顯著節省工程量并節約工程成本。

對于拱壩中上部左岸、右岸的建基面，分別依據兩岸壩基地形與地質條件進行了細致的研究。其中左岸拱壩建基面下游側由于f₇₅斷層出露地表處發育沖溝，造成了拱端下游地形缺失凹陷，通過適當加大拱壩左岸整體拱端嵌深，提高拱座巖體受力部分完整性。右岸地形完整，巖體卸荷深度小，但拱端中上部至壩頂以上邊坡陡立，建基面曲線整體呈現上陡下緩的形態，為確保右岸建基面平順度，通過研究中上部拱端不同嵌深方案下的建基面巖體分布，在控制Ⅱ、Ⅲ類巖體適度比例條件下，適當回縮中部拱端建基面，以此放緩右岸上部建基面坡度，有利于改善壩體應力狀態。

2.2 多維邊界條件約束下體形設計方法

在選定建基面方案的基礎上，對拱壩體形進行設計，以改善拱壩在各條件下的應力狀態、降低壩體方量，并在各設計階段持續優化。

拱壩體形設計的實質是在一定邊界條件下，通過對體形函數中的參數進行調整，使用拱梁分載法或有限元迭代計算壩體應力分布，來獲得應力水平適中、體形與方量滿足設計要求的優化方案。參考類似拱壩設計經驗^［3］，旭龍拱壩對五心圓拱、拋物線拱、對數螺旋線拱、橢圓線拱、懸鏈線拱和混合線拱共6種平面線型進行優選，選定了設計變量較少、優化效率較高的拋物線平面拱圈線型。

在確定平面線型后，綜合考慮地基變形模量、抗震性能、孔口等結構對大壩應力狀態的影響，進行體形設計，初擬體形方案。以拱梁分載法為主、輔以線彈性有限元法開展計算分析，從應力水平及分布、拱座穩定、壩體幾何形態、壩體方量等方面綜合分析，選擇較優拱壩體形方案。同時考慮旭龍拱壩對兩岸基巖變形模量、拱端位置、環境與澆筑溫度等邊界條件的適應性。

旭龍拱壩體形設計過程中，具體遵循了以下原則：①充分保持對河床及兩岸地形地質條件的適應性；②在滿足壩體強度要求的前提下，力求壩體應力、位移狀態良好，避免拱壩體形周邊突變，減少壩基局部應力集中；③滿足表、中孔主體結構布置條件，并控制孔口對壩體應力的影響；④改善拱座推力方向，優化減少兩岸壩段中上部向上游的倒懸度，保證壩體抗震性能；⑤改善施工期應力條件，盡量使體形簡單以方便施工。

2.3 拱壩優化設計體形

在旭龍拱壩體形方量比選與優化方面，最直觀的幾何邊界控制條件為厚高比，以此來限制壩體的最大厚度，進而優化得到不同壩體方量的拱壩體形方案。可行性研究階段按方量、拱厚不同，擬定了3種壩體方量水平的拱壩體形代表性方案，按照純體形方量對方案進行編號，分別為202方案、211方案、223方案，如圖2所示。3種體形方案在靜力工況下的應力分布規律基本一致，拱端推力及拱座穩定性相近且均滿足規范要求。同時按照“靜力設計，動力調整”的拱壩設計思路^［4］，比較了地震工況下各方案應力水平，其中211方案較202方案混凝土方量增加約4%，設計地震下最大主拉、主壓應力均降低約12%；223方案較211方案混凝土方量增加約6%，設計地震下最大主拉應力降低約2%，主壓應力降低約6%。

旭龍拱壩3種方案的體形參數相近，拱厚和壩體體積有一定差別，體形參數對比見表1。壩體應力隨壩體體積增加而減小，拱座抗滑穩定性接近。202方案壩體體積最小但壩體應力極值最大，且有限元法計算所得最大主拉應力接近規范限值，參數敏感性分析存在應力超限情況，211方案較202方案抗震性能改善明顯；211方案和223方案應力和穩定差別不大，對參數變化適應性均較好，211方案壩體體積較小。

通過對旭龍拱壩3種體形方案進行分析比選，最終推薦了壩體體積居中、應力水平較低、適應性亦較好的211方案，推薦方案的旭龍拱壩體形如圖3所示。

3 拱壩應力穩定有限元分析

3.1 應力控制標準

旭龍水電站勘察設計經歷了混凝土拱壩設計規范的更新^［1，5］，為此設計人員按照新規范對原有應力控制標準進行了復核與對比。其中，靜力工況條件下的混凝土強度標準取值與其他混凝土結構規范相統一，由原標號值改為混凝土強度的0.67倍，結構、材料分項系數方面按照套改的原則均作相應調整。地震工況仍依據抗震設計規范，相關系數及控制標準沒有變化。主要分項系數調整見表2，相應應力控制標準對比見表3。

調整后拱壩混凝土應力控制標準中，拱梁分載法計算持久狀況下的主壓應力極值上限降低約0.05 MPa，降幅小于1%，主拉應力仍保留不得大于1.20 MPa的要求。有限元計算方法的應力控制標準變化規律與拱梁分載法相似，例如持久狀況下主壓應力極值上限由8.52 MPa降低至8.40 MPa，降幅略大于1%，主拉應力上限則保持為1.50 MPa。

按照新行混凝土拱壩設計規范對壩體應力進行復核后，旭龍拱壩仍能夠滿足規范中各項要求。

3.2 有限元法應力計算成果

在拱梁分載法計算壩體應力基礎上，優化選定旭龍拱壩體形參數，并通過有限元計算做進一步論證。有限元方法能夠實現對地基中各類巖體、地質缺陷分布，大壩壩段與澆筑、封拱過程等要素更為真實的模擬^［6］。

旭龍拱壩有限元計算模型根據基巖巖性分布，模擬了2倍壩高范圍內的主要裂隙密集帶、接觸帶和較大的斷層。按照拱壩分壩段、分倉位及灌區劃分方案，模擬了施工期壩體澆筑與封拱過程，旭龍拱壩有限元計算模型見圖4。計算工況主要考慮了上游正常蓄水位、死水位以及溫升、溫降等持久狀況基本組合，計算結果中拱端應力集中采用等效應力法^［7］解決。

計算結果顯示：旭龍拱壩在持久狀況基本組合作用下，拱壩上游面最大主壓應力為5.51 MPa，出現于死水位溫降荷載組合，位于拱冠梁上游與河床建基面相交部位；最大主拉應力出現在死水位溫升荷載組合，為1.43 MPa，位于高程2 170 m左拱端。拱壩下游面最大主壓應力為7.45 MPa，出現于正常蓄水位溫升荷載組合，位于拱冠梁下游與河床建基面相交部位；各工況下下游面均無拉應力，與拱梁分載法敏感性分析中結果一致。

經過有限元計算驗證，旭龍拱壩選定體形的壩體主應力值均在控制標準要求范圍內，壩體應力狀態均滿足規范要求。

3.3 拱壩-地基整體承載能力分析

旭龍壩址處兩岸地形地質存在局部不對稱，在考慮大壩-地基整體穩定情況下，兩岸拱端壓應力偏斜不對稱使壩基承載能力降低，可能造成壩體-拱座系統失穩等潛在問題^［8］。因而有必要在不對稱地形地質條件下，開展旭龍拱壩-地基整體穩定分析，保障并提高壩基承載力。

采用超載法分析旭龍拱壩-地基整體安全度^［9］。超載參數選取上游面水體容重，分析水推力增加過程中壩體、拱座的變形以及大壩、壩基軟弱結構面的應力和破壞發展趨勢，判定拱壩-地基系統整體在彈性變形、非線性變形、整體失穩破壞階段對應的超載系數，得出大壩極限承載能力。其中，彈性變形安全系數指在該超載倍數以內大壩-地基整體處于線彈性狀態，壩體變形隨超載倍數線性增加，兩岸巖體沒有明顯屈服區；隨超載進一步增大，壩體變形出現非線性特征，建基面出現部分屈服或開裂區域；當壩基屈服或開裂區域相互聯通，壩體非線性變形特征明顯，對應壩體達到極限承載狀態，對應的超載倍數為極限荷載安全系數^［10］。

通過對比同類高壩工程可知（表4），旭龍拱壩-地基整體超載安全系數處于適中水平，大壩穩定安全具有充足保障。

4 防震抗震設計

在國內已建、在建及擬建特高拱壩工程中，旭龍拱壩抗震設防水平僅次于大崗山拱壩，且采用了全壩身泄洪方式，掌握泄洪孔口對壩體抗震安全的影響及動力工況下結構的可靠性尤為重要。

現行水工建筑物抗震設計規范僅適用于200 m級以下大壩^［11-12］，為全面、綜合評價旭龍拱壩結構抗震特性、極限抗震能力和抗震安全度，首先從大壩自振特性、動力變形狀況等方面分析大壩結構抗震特性，再進一步開展考慮橫縫開合、地基輻射阻尼及混凝土損傷的非線性有限元計算與振動臺動力模型試驗等工作。

按照壩體混凝土、地基中主要破碎帶的材料非線性進行地震反應分析。壩體混凝土材料動態損傷演化規律以損傷-位移應力變化曲線和損傷-位移損傷因子變化曲線來表征，地基材料采用D-P本構模型進行模擬，同時考慮壩體橫縫開合非線性效應和地基輻射阻尼影響。設計地震作用下，壩體靜動綜合應力除局部范圍由于應力集中導致其主拉應力超過壩體混凝土動態抗拉強度值外，其余均在控制標準內。在壩面非應力集中區，由于橫縫的應力釋放作用，各工況拉應力基本不超過2.0 MPa，或基本處于受壓狀態，壩體混凝土動態抗壓強度高于壩體所出現的靜動綜合最大壓應力，橫縫最大張開度在8 mm以內，遠小于止水材料變形容許值，不會導致止水破壞^［13］，混凝土強度及橫縫結構等均能夠滿足大壩抗震要求。校核地震作用下，壩體應力極值數值、橫縫張開度均略有增加但增幅很小，對壩體工作狀態影響不大，拱壩工作性態在校核地震作用下未發生轉折性變化，可滿足“不潰壩”的安全性能要求。

通過對比旭龍拱壩有、無泄洪孔口模型動力計算成果發現：表、中孔閘墩及孔口結構對大壩整體的強度、剛度影響較小，大壩自振特性、壩體變形、應力以及極限抗震性能相近，壩身布置泄水孔對大壩抗震安全性影響較小。進一步分析在設計及校核地震作用下的孔口結構變形可知，表孔兩側閘墩相對變形殘余值約1 mm，均在閘門和啟閉設備可接受范圍內，論證了全壩身布置泄洪孔口方案可行。

本文開展了振動臺動力模型試驗^［14］，試驗表明旭龍拱壩在設計地震與校核地震作用下觀測到輕微損傷，但未出現宏觀開裂，兩壩肩滑塊保持穩定。壩體初始宏觀開裂發生在3.0倍超載工況，在動力超載5倍加振后仍維持穩定，表明旭龍拱壩具有較高的抗震超載能力。

根據試驗中模型損傷開裂情況，確定左岸下游壩基交界面、左右拱端、拱冠壩踵以及壩體上部梁向部位是旭龍拱壩的抗震薄弱部位，綜合有限元計算成果中壩基及孔口結構周邊高應力區分布，針對性采取了布設抗震鋼筋、混凝土分區、拱端設置貼腳、增加表孔連接大梁剛度等抗震措施，使旭龍拱壩抗震能力進一步提高。

5 壩肩抗滑穩定

旭龍拱壩兩岸山體雄厚，拱座巖體主要為花崗巖，強度高且完整性較好。但兩岸壩肩及下游發育有f₃、f₁₀、f₁₁、f₂₆、f₅₇、f₇₅、片巖與花崗巖接觸帶（內含剪切帶）等諸多結構面，以及多層長大緩傾角裂隙，其產狀復雜，相互間交錯，構成潛在滑動塊體，對拱座穩定產生不利影響。

目前高拱壩拱座穩定評價主要為剛體極限平衡法，按照壩基中的結構面組合形成空間塊體，采用三維滑動矢量計算方法進行拱座抗滑穩定性評價^［15］。結合旭龍拱壩拱座中結構面幾何特征，組合分析得出以左岸f₅₇、右岸f₂₆為側滑面，以高程2 120～2 290 m緩傾角裂隙概化為底滑面組成的7組滑動塊體，如圖5所示。

圖5 拱座結構面及塊體示意

以持久狀況基本組合作用下拱端作用力、滑面滲透壓力、自重作為外力條件，對各組塊體抗滑穩定安全性進行計算分析，得到滑動作用效應、結構抗滑力，計算結果見表5，其中兩者比值大于1表明塊體穩定安全滿足規范要求。

通過拱座塊體抗滑穩定計算分析，旭龍拱壩拱座穩定安全控制性塊體為左5塊體，其抗滑穩定安全比值系數最小為0.87，其余塊體抗滑穩定均滿足規范要求。

左5塊體由側滑面f₅₇斷層結構面、底滑面2 120 m緩傾角裂隙概化面以及下游面f₇₅壓縮臨空面組成，滑動模式為雙滑面。通過對各滑面強度參數進行分析，決定對f₅₇斷層和f₇₅進行綜合處理，以提高側滑面抗剪強度和發揮下游巖體抗力作用，從而綜合提高左5塊體抗滑穩定性，以滿足規范要求。

6 壩基處理與加固

旭龍水電站水庫正常蓄水位2 302.00 m，大壩兩岸總體地形封閉條件較好，壩基花崗巖、混合巖等局部存在裂隙、斷層及其影響帶，水庫蓄水后存在滲漏的可能性。通過設置大壩左、右岸防滲帷幕，帷幕下限端點接至相對隔水層或正常蓄水位與地下水位交匯處，同時大壩與右岸地下廠房聯合防滲，布置幕后排水及大壩下游兩岸山體排水，降低大壩建基面及拱座塊體滑面滲透壓力，進一步提高大壩與地基整體穩定安全性。

為改善旭龍拱壩壩基巖體力學性能，提高其整體性，減少承載后不均勻變形，對大壩基巖進行固結灌漿處理。考慮到河床壩段基巖屬中等地應力，局部存在巖芯餅化現象，采用有蓋重固結灌漿，兩岸岸坡壩段則在現場固結灌漿試驗基礎上，擬采用“裸巖裂隙封閉無蓋重灌漿+淺層引管灌漿”的方式^［16］。在拱壩建基面開挖后右岸f₂₆斷層以及云母富集帶、左岸f₅₇斷層以及裂隙密集帶等地質缺陷出露部位采用挖槽混凝土置換處理措施，并加強影響范圍內壩基固結灌漿強度。

考慮旭龍拱壩抗滑穩定安全，針對控制塊體左5塊體進行綜合處理，對左岸壩肩深部斷層f₅₇進行加固設計。經過比選預應力錨索、混凝土抗剪洞^［17］等工程措施，選取了處理效率高、施工條件簡單的混凝土抗剪洞方案。通過計算左5塊體滿足規范要求所需的結構抗滑力，得出抗剪洞與傳力洞混凝土置換面積，按照一定嵌深對洞身布置及斷面結構進行設計，如圖6所示。根據側滑面f₅₇范圍，在高程2 153～2 235 m范圍布置水平4層抗剪洞，各層間設有豎向支洞，組成空間“井”字形框架，抗剪洞延伸至拱端附近，同時起到抗壓傳力作用。

在臨空面f₇₅還設置混凝土傳力洞，與對應高程置換洞相接，更好地將荷載傳遞到下游側巖體，傳力洞由主洞與支洞構成，主洞沿f₇₅布置，支洞水平垂直于主洞且端部深入f₇₅上下游側巖體。

7 結語

針對旭龍拱壩壩址地形地質條件復雜、地震烈度高等工程特點，深入開展了拱壩體形設計、大壩應力與極限承載能力分析、防震抗震措施設計及拱座抗滑穩定計算與加固等研究工作，提出了相關工程處理措施，并對各項技術方案進行了充分論證，保障了大壩安全。相關成果可為中國西部地區高拱壩建設提供參考借鑒。

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（編輯：鄭毅）