张建华 王 栋

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 工程概况

洞河水库位于汉江北岸支流月河一级支流洞河下游河段，是一座以灌溉、供水为主，兼顾发电等综合效益的Ⅲ等中型水库。水库枢纽工程由拦河坝、泄洪表孔、泄洪底孔、引水洞、电站厂房和变电站等建筑物组成。

水库总库容4627万m3，调节库容为3256万m3，设计灌溉面积3.5万亩，并向灌区四镇一乡11万人口及汉阴县工业园区年供水量2032万m3，电站装机容量3430kW，年发电量797.52万kW·h。

本文针对夏家沟坝址的地形、地质条件，并结合工程施工条件和当地材料分布、储量情况，初步选定碾压混凝土拱坝作为研究坝型。

2 拱坝布置和体型设计

2.1 建基面拟定原则

根据《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003），对于拱坝地基岩体主要要求如下：①具有整体性和抗滑稳定性；②具有足够的强度和刚度；③具有抗渗性、渗透稳定性和有利的渗流场；④具有在水长期作用下的耐久性；⑤控制地基接触面形状对坝体应力分布的不利影响；并要求建基面一般选择新鲜、微风化或弱风化中下部的基岩。

依据坝基应力、坝肩岩体风化分级和卸荷裂隙带的发育情况，洞河拱坝坝体在332.0m～388.0m，高程建基于弱风化下限～微风化岩体；在大坝上部388.0m～397.5m高程范围利用弱风化岩体。

2.2 体形设计原则

①坝体具有较大的整体刚度，以提高拱坝的整体安全度；避免拱坝周边突变，减少坝基局部应力集中；

②在满足坝体强度要求的前提下，力求坝体应力、位移状态良好，并尽量采用扁平拱布置，使拱推力转向山体内部，改善坝肩稳定条件；

③控制上游倒悬，改善施工期应力条件尽量使坝体体形简单，便于施工；

④在各种计算工况下，坝体均有较好的应力、变形状况，大坝的应力、变形变化幅度合理。

2.3 拱坝推荐体形

拱坝坝顶高程为397.5m，坝底高程332.0m，最大坝高65.5m，坝顶宽6.5m，拱冠坝底厚15.645m，各高程拱圈从拱冠至拱端逐渐变厚；坝顶上游弧长264.473m，最大中心角91.36°，位于378.5m高程；最小中心角61.21°，位于332.0m高程。拱圈中心轴线在拱冠处最大曲率半径在左岸为121.328m，在右岸为114.476m，最小曲率半径在左岸为61.747m，在右岸为54.203m；大坝宽高比3.47，厚高比0.24，上游面最大倒悬度0.25，下游面最大倒悬度0.20。大坝控制高程几何参数见表2-1，拱坝体型模型见图2-1。

表2-1 大坝控制高程几何参数表

图2-1 拱坝体型模型

表3-1 封拱温度表

表3-2 温度荷载表 单位：℃

表3-3 坝基材料参数

图3-1 校核洪水位+温升工况下，下游面主应力等值线图（出现主压应力最大值3.46MPa）

3 应力分析

3.1 主要设计荷载

（1）水、沙荷载

正常蓄水位：上游391.00m，下游无水；

设计洪水位：上游394.53m，下游343.97m；

校核洪水位：上游396.67m，下游345.39m；

死水位：上游358.50m，下游无水；

淤沙高程：353.24m；浮容重：8.0KN/m3；内摩擦角：14.0°。

（2）混凝土材料

采用C20碾压混凝土，并利用其90天龄期的后期强度。

弹性模量：20GPa；泊松比：0.167；

导温系数：3m2/月。

（3）温度荷载参数

多年平均温度：15.1℃；

多年平均最低月（1月）气温：3.15℃；

多年平均最高月（7月）气温：26.29℃；

日照对年平均气温的影响：2.0℃；

日照对气温年变幅的影响：1.0℃

建筑结构设计是建筑结构设计人员对所要施工项目的完整、具体的意图表达，是控制建筑造价成本的重要手段。对建筑造价成本的控制贯穿于工程项目决策、设计以及实际施工全过程，结构设计优化能够保证整个建筑设计施工过程的经济性与安全性，从而达到控制工程造价的目的。根据相关资料表明，建筑结构设计对造价成本的影响力，约占40～70%，因此，做好建筑结构设计工作对控制造价成本有着重要作用[2]。

温度荷载产生的应力在拱坝的应力中占很大比重，在综合考虑了温控冷却措施、封拱灌浆时间及相应月平均气温等因素后确定的封拱温度如下表3-1。

温度荷载采用《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）中推荐的方法计算，计算得出拱冠梁剖面各个设计高程的平均温度Tm和等效温差Td（下游面减去上游面），具体参数见表3-2。

（4）地震荷载

洞河水库工程区场地地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.45s。相应的地震基本烈度为Ⅵ度，工程设防烈度为Ⅵ度。

根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97），设计烈度为Ⅵ度时，可不进行抗震计算，故本次计算中未考虑地震荷载。

3.2 坝基材料参数

洞河拱坝建基面岩体为坚硬的Za1层绿帘片岩，根据地质工作提供的各类岩体力学指标，经过分析后，确定坝基各高程综合变形模量和相应泊松比见下表3-3。

3.3 计算组合

根据《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003），本阶段拱坝的应力分析计算选取以下荷载组合：

基本组合1：正常蓄水位下的静水压力＋泥沙压力＋扬压力＋自重＋温降；

图3-2 正常蓄水位+温降工况下，上游面主应力等值线图（出现主拉应力最大值-1.2MPa）

表3-4 拱梁分载法坝体应力计算汇总表 单位：（MPa）

表4-1 各工况最大径向位移 单位：cm

图4-1 正常蓄水位+温降工况下，径向位移图

基本组合2：正常蓄水位下的静水压力＋泥沙压力＋扬压力＋自重＋温升；

基本组合3：设计洪水位下的静水压力＋泥沙压力＋扬压力＋自重＋温升；

基本组合4：死水位下的静水压力＋泥沙压力＋扬压力＋自重＋温升；

特殊组合1：校核洪水位下的静水压力＋泥沙压力＋扬压力＋自重＋温升；

3.4 拱坝体形分析

采用拱梁分载法对坝体的应力进行分析计算，将整个坝体分为7拱15梁。计算采用中国水科院结构所《拱坝体形优化程序ADASO》进行计算；计算荷载包括上、下游水压力、扬压力、淤沙压力、坝体自重和温度荷载。

洞河水库碾压混凝土拱坝为3级建筑物，依据《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003），3级拱坝的混凝土抗压强度安全系数对于基本组合采用3.5，对于非地震情况特殊组合采用3.0。因此坝体应力控制标准如下：

①基本组合：主压应力不大于5.0MPa；主拉应力不大于1.20MPa；

②特殊组合（非地震工况）：主压应力不大于6.7MPa；主拉应力不大于1.50MPa；

3.5 计算结果

拱梁分载法抛物线拱坝坝体结构应力计算汇总表见表3-4。其中坝体最大主压应力为3.46MPa，见图3-1；最大主拉应力为-1 2MPa，见图 3-2。

4 拱坝径向位移计算

抛物线拱坝各工况最大径向位移见表4-1，其中径向位移最大值为2.39cm，发生在397.5m高程，正常+温降工况，见图4-1。

5 结论

本文扼要地论述了洞河拱坝体型设计，并采用拱梁分载法对洞河水库碾压混凝土拱坝进行了五种工况的计算分析，结果表明，在大部分区域内，应力梯度差别较小，应力分布规律合理，在控制工况下最大主拉应力值、最大主压应力值也均满足规范规定的应力控制要求。说明大坝体型设计基本合理，此体型参数经上级主管部门审查，认为合理可行，将作为本工程最终采用体型。陕西水利

[1]薛龙可，周秋景，杨波．三河口拱坝初设体型 合 理 性 分 析 [J]．ISSN 1672-3031 CN 11-5020/TV． 中国水利水电科学研究院学报．2013（04）．

[2]混凝土拱坝设计规范（SL282-2003）[S]．中国水利水电出版社．2003年6月1日．

[3]朱伯芳，高季章，陈祖煜．拱坝设计与研究[M]．ISBN 9787508411767．北京:水利水电出版社．2002年12月1日．

[4]李瓒，陈新华，郑建波，王广伦．混凝土拱坝设计[M]．ISBN 9787508302171．北京:中国电力出版社．2000年9月1日．