赖 宏

（中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400）

1 工程概况

某水库位于广东清远县城以北十多公里，隶属于IV等小I型水库，主要功能以防洪为主，兼顾县城生活供水、工业用水等综合利用。该水库地质条件，岩层倾上游偏左岸，第四系层与白垩系上统夹关组（K2j2）上端露出，其中右岸440 m同左岸436 m高程以上多数为（K2j1-2）中厚～（K2j1-2）以石岩屑砂岩，夹杂泥岩与粉砂质岩，左岸436 m同右岸440 m高程以下，则主要为（K2j1-1）中层至（K2j1-1）厚层，期间夹杂粉砂质泥岩、泥岩以及薄层长石岩屑砂夹石英砂岩[1]。

2 大坝体形参数与制约条件

2.1 大坝体型参数

当建筑单位在进行坝形选择时，将拱坝作为主要坝形，坝顶与坝底的高度设计为458 m与392 m。水库坝址河床位置的断岩层经过调查后发现其存在缓倾上游的情况，同时夹层处在发育情况中，高程以下具有3条软弱夹层发育，为进一步保障技术方案的技术可靠性、完善性、经济性，就需要充分考虑工程施工环境的地质条件与地质因素，同时还需要充分做好各类坝形之间的对比分析，最终决定出两种类型的拱坝，并针对拱坝在水库内的实际作用展开全面的分析与研究。通过不断的对比与分析，最终拟定两种拱坝：（1）重力拱坝体型，其设计的最大坝体高度约66 m，坝顶、坝底宽度为6 m、25 m，大坝厚高比0.379。相关几何参数见表1。

第二体型为中厚拱坝，设计最大坝高66 m，坝顶与坝底设计宽度6 m、22 m，坝体厚高比为0.333，相关几何参数见表2。

表1 重力拱坝体（体型1）几何参数

表2 中厚拱坝体（体型2）几何参数

2.2 大坝体型设计特征参数分析

2.2.1 特征水位与淤沙参数

特征水位方面，水库校核洪水位456.97 m，相应的下游水位400.53 m，设计洪水位455.58 m，相应下游水位399.87 m；正常蓄水位452.00 m；相应下游水位399.58 m。水库淤沙方面，淤沙高程、内摩擦角分别为421.41m与14°，容重0.8 t/m3[2]。

2.2.2 坝体物理参数与基岩物理参数

水库坝体物理参数与基岩物理参数方面，坝体材料选用C15堆石混凝乳，弹性模量与泊松比分别为6.50 GPa与0.20，坝体埋石率52%，堆石混凝土密度与坝体线膨胀系数分别为24.4 kN/m3、7×10-6/℃。水库坝体温度荷载按下式计算：

2.2.3 水库坝体体型设计约束条件

水库大坝设计高度66 m，属于中坝，根据《混凝土拱坝设计规范》（SL 282-2018），混凝土的容许压应力等于混凝土的极限抗压强度除以安全系数。采用拱梁分载法和有限元法进行大坝体型优化[3]，获得坝体应力控制约束指标见表3。

表3 水库坝体容许应力控制约束指标表

3 水库拱坝结构三维有限元分析

3.1 应力分析

在针对坝体体型进行设计的过程中，为确保实际工程同体型设计高度匹配，以拱坝计算程序—ADAO（浙江大学）与三维非线性有限元—NASGEWIN（四川大学）程序开展应力计算工作，经对计算结果对比得出浙江大学ADAO结果略微小于NASGEWIN三维有限元，但整体分布规律基本一致，本次研究，主要列举NASGEWIN三维有限元分析结果，结果包含两种水库坝体体型设计的上游与下游坝面主应力参数，同时也包括了现场施工中的第一工况与第三工况，在这两种工况的作用下，下游坝面的主应力分布情况见表4，表4为体型1—重力拱坝下游坝面主应力，图1与图2为重力拱坝不同工况下应力分布。表5为体型2—中厚拱坝应力数据，图3与图4为中厚拱坝下工第一、第三工况应力分布。

表4 拱坝体型1上游、下游坝面主应力数据

图1 重力拱坝体型下第一工况下游坝面主应力分布示意图

图2 重力拱坝体型下第三工况下游坝面主应力分布示意图

表5 体型2上游、下游坝面主应力数据 单位：MPa

图3 中厚拱坝体型下第一工况下游坝面主应力分布示意图

3.2 水库坝基(肩)稳定性分析

计算水库坝基（肩）超载能力，基于超载法以此对大坝超载上游水压力倍数，即 Kp=1.4，Kp=2.0，Kp=2.4，Kp=3.0，Kp=3.6，Kp=4.0，Kp=4.5，Kp=5.0，开展分析，通过实际分析可以得出大坝的破坏机理为：大坝坝肩稳定性控制高程是大坝承受水推力荷载作用最大的中下部高程，水库大坝高程392 m～420 m高程拱端塑性区。具体情况见表6。

图4 中厚拱坝体型下第三工况下游坝面主应力分布示意图

表6 水库坝基（肩）稳定性安全系数分析表

3.3 计算成果

上述分别对两种坝体体型设计，即重力拱坝与中厚拱坝进行计算并获取结果，结果表明，重力拱坝体型在正常蓄水工况下，顺河向的最大变位占坝体中高度0.455%，中厚拱坝顺河向最大变位为占坝体中高度0.523%，相比其他拱坝位移量相对适中。站在应力量值角度分析，当大坝采用中厚拱坝体型，则下游坝面第一工况下的坝体最大主压应力4.80 MPa，第三工况、第四工况下坝体的最大主拉应力5.88 MPa、-1.58 MPa皆无法满足规范要求，因此在对比分析下，重力拱坝相对水库更加合理。

在通过使用ADAO软件对重力拱坝体型进行计算的过程中，最大压应力出现于水库校核洪水位+温升工况阶段拱冠梁的下游面，应力值为2.41 MPa，校核洪水位+温升下的拱冠梁上游出现最大拉应力，应力值为0.60 MPa。当采用三维有限元-NASGEWIN开展重力拱坝计算阶段，高程392.7 m右拱中部出现最大压应力，应力值为3.64 MPa，最大拉应力则出现于高程447 m孔口导墙部位，应力值为1.65 MPa。图5、图6展示为重力拱坝下游面左、右拱端节点位移在超载倍数下的变化规律。

图5 超载倍速变化情况下的左拱端节点位移规律

图6 超载倍速变化情况下的右拱端节点位移规律

4 水库拱坝体型的设计与优化

通过上述的研究与分析可以得知，当确认体型1-重力拱坝更加合理，使用ADAO开展拱坝体型优化分析工作，优化阶段基本参数、工况不变。这样一来就可以有效提高施工放样的准确性，并且也可以为施工放样提供主要帮助，同时在针对圆心拱圈的基础进行设计与优化时，针对拟定其余12类大坝体型开展对比分析，表7展示为除上述研究体型1（重力拱坝）、体型2（中厚拱坝）之外的12类体型应力计算对比表。

表7 水库12类拱坝体型应力计算数据对比

观察表7中的12类拱坝体型应力数据对比可获取如下结果：

1）当拱冠梁内外半径相同，最大拉压应力值，会随坝底宽度的减小逐步增加。

2）当坝底宽度相同，拱坝最大应力会随外圆弧半径增加而上升，当应力出现变化时，其实际情况通过表7得到了全面的理论证明，同时圆弧半径在增加时，也会促使坝体形状向扁平方向发展，这时就会减少拱形在水库内的实际作用，而当坝体形状出现变化时，会有效提高梁的作用，并且拱端的轴向推力角也会变大，对于坝肩稳定性优化十分有利。

3）站在大坝工程量、应力分布以及坝基（肩）稳定性多个角度并依据表7数据综合分析，表7中拱坝十三号体型，不仅满足重力拱坝位移量适中、应力分布均匀的优点，并且在满足大坝基础稳定性的同时，需要充分确保在与重力拱坝最大压应力相同的基础上，为实际方量节约出约8300 m3，并从根本上降低资金投入，同时也确保大坝体型在优化后形成中厚拱坝，水库大坝结构稳定性与应力分布均可得到有效改善[4]。

5 结语

综上，本次水库拱坝采用三维非线性有限元分析程序，对坝体应力、坝基稳定性进行了优化设计。通过对形变的准确移量、最高主压应力等诸多计算结果可以得知，重力拱坝体型1相较重力拱坝体型2的形变准确移量而言，其参数更加适中，同时应力在拱坝内的分布也较为均匀，所呈现出的体型也较为科学。在实际设计的过程中，可以将重力拱坝体型1作为设计模板，而后通过使用ADAO程序对拱坝体系进行科学的设计与优化，并在实际优化的过程中，需要优选出多种类型的拱坝与重力拱坝体型1之间相互对比，寻找出更加优选的十三体型作为水库大坝的最终拱坝体型。当经过优化之后的重力拱坝体形会转变为中厚拱坝坝形，这时拱坝内部的应力分散程度与结构稳定性均得到了全面的优化与改善，并且坝体的方量在传统的基础上节省约8300 m3，在保证大坝安全的同时，也可大幅度降低资金支出。