溪洛渡高拱坝贴角结构形式研究及布置设计

赵 艳，尹华安，赵文光

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水电站拦河大坝采用双曲拱坝，坝址区两岸山体浑厚，谷坡陡峻，地形完整，无沟谷切割，河谷断面呈较对称的“U”形。

在拱坝浇筑时，对于坝体周边部位，由于坝面与拱肩槽边坡之间空隙狭小，需在一定高度的范围内，将大坝的混凝土浇筑成贴角的形式。除方便施工外，贴角本身还能加大拱坝底部的刚度，并对坝体周边应力和基础部位的应力传递起到一定的改善作用。贴角的布置设计是拱坝设计中的重要环节之一。

本文对拱坝上下游贴角结构形式、受力条件以及贴角对大坝的应力应变影响展开研究，分析不同贴角方案的各个工况下，大坝、基础应力及变形状态；根据分析成果，结合工程布置要求及相关工程经验，提出推荐的贴角形式及布置方案。

2 基本条件

2.1 有限元计算范围及结构离散

溪洛渡双曲拱坝坝顶高程610.0m，建基面高程324.5m。拱冠梁顶部厚度14.0m，底部厚度60.0m。计算中对坝体、周边贴角结构形式、坝基各类岩体和结构面进行模拟。坝体及坝基岩体采用空间8节点等参数实体单元，贴角横缝及伸缩缝采用Goodman夹层单元。整体计算域共离散为150 160个节点和149 091个单元。

2.2 岩体强度与本构模型

在贴角结构形式的有限元分析中所采用的强度与本构模型：

按低抗拉弹塑性模型分析，岩体材料开裂条件用宏观强度描述：

σii>Rt(i=1,2,3)

式中σii——表征应力张量三个主应力。

在分析中σii可能呈单向、双向及三向开裂情况，由程序自行校核并进行刚度修正。

岩体是否进入塑性状态，按Druker-Prager准则判别：

式中I1和J2——分别为应力张量的第一不变量

应力偏张量的第二不变量；

α，k——与岩体材料摩擦系数tanφ和凝聚力c有关的常数。

式中

对于坝体混凝土和置换混凝土，采用S.S.Hsigh四参数准则：

其中A=2.010 8，B=0.971 4，C=9.141 2，D=0.231 2

定义Drucker-Prager准则对应的点强度储备安全系数为：

仿照上述点强度储备安全系数定义，定义混凝土的点安全系数为：

3 研究方案及综合评价方法

3.1 贴角计算方案和荷载组合

为细致研究不同上下游贴角方案的坝体及基础应力状态，拟定10个方案研究贴角的作用。主要分析比较周边不设贴角与设置贴角的应力状态；上游不设贴角、设置中贴角、设置高贴角的方案对比；下游610m高程以下设贴角和416m高程以下设贴角的对比；416m高程以下高、中、低三种贴角方案对比；下游贴角设置伸缩缝的影响。通过对各个方案的综合对比分析，确定相对最优的贴角布置方案。

计算中的荷载组合考虑了自重+正常蓄水+温降、自重+校核洪水+温升等组合工况。

3.2 评价方法

对于各种贴角方案，通过计算得出大坝及贴角部位的应力量值及分布、坝基点安全系数，并进行以下3个方面综合评价：

(1)不同贴角方案的大坝应力和变位情况，高应力区分布范围和量值，坝基的变形和应力。

(2)地基点安全系数分布，点安全系数低值的范围和深度。

(3)贴角部位本身的应力状态。

通过对各个计算方案的综合评价，确定贴角最终的设计方案。

4 贴角结构形式优选分析

4.1 坝体变位及拱端变位

各个方案计算得出的坝体变位分布均匀、对称。坝体最大顺河向位移10.73～11.16cm，均出现在拱冠梁520m高程附近；拱端最大顺河向位移2.28～2.51cm，出现在380m高程附近；拱端最大横河向位移0.74～0.94cm，右岸出现在470m高程附近，左岸出现在530m高程附近。

总的来看，布置贴角的坝体变位小于不设贴角的变位，并且坝体变位随着贴角方量的增大而呈减小的趋势。

在下游贴角相同时，设置上游贴角对坝体变位的影响微弱，尤其是上游中贴角方案和高贴角方案之间差异很小，反映出坝体及基础变形与上游贴角的关系不大。

下游贴角的高程对坝体变位具有一定的影响。由不同的下游贴角方案计算结果可以看出，坝体变位随着贴角方量的增大而减小。下游416m高程以上贴角对下游横河向位移的约束作用比对顺河向位移的约束作用更为明显。

下游贴角是否设伸缩缝对坝体变位影响微弱。

4.2 坝体应力

各个方案计算得出的坝体应力分布均匀，分布规律相似，高应力区的出现部位差别不大。上游坝面最大主拉应力-1.46～-1.72MPa，最大主压应力5.99～6.43MPa；下游坝面最大主拉应力-0.21～-0.50MPa，最大主压应力10.12～11.53MPa。上游坝面主拉应力、下游坝面主压应力极值均出现在低部高程拱端附近。

上游设置贴角坝踵拉应力有所减小，上游贴角适当加大，可以改善上游坝面的拉应力极值，但对上游压应力极值影响不大。上游贴角的不同方案对下游坝面拉压应力影响微弱。

下游设置贴角对改善下游坝面拉、压应力特别是压应力效果显著，并且坝趾主压应力过渡更加平顺。贴角方量越大，应力改善越明显。在上游贴角相同的条件下，加高下游贴角可以略微改善上游坝面拉、压应力极值，坝踵拉应力区和拉应力量值均有所减小。

通过对下游贴角设置高程的分析，下游416m高程以上贴角可以略微改善上游坝面拉压应力极值，而对改善下游坝面拉压应力作用微弱。

下游贴角是否设伸缩缝对坝体应力影响很小。

4.3 贴角部位应力和点安全系数

各个方案的贴角部位均处于受压状态，未出现拉应力；按照混凝土四参数准则，贴角部位混凝土的点安全系数在5.9以上，贴角混凝土处于弹性工作状态。

4.4 坝基点安全系数

各个方案计算得出的坝基点安全系数分布规律相似，沿拱坝周边点安全系数大致随高程降低而减小。

设置贴角与未设贴角方案相比较，中上部高程的坝基点安全系数相差不大，而低部高程的坝基点安全系数明显提高，由不设贴角方案的1.0～1.5提高至设置贴角方案的1.5～2.0。

5 贴角设计方案

通过不同贴角方案分析成果，进行坝体变形、坝体应力、贴角结构应力、坝基点安全系数综合比较，确定贴角布置方案(见图1、2)。该方案具有如下技术特点：

(1)下游392m高程以下设置贴角，且与坝面进行斜面倒角过渡。

(2)河床部位下游贴角至362m高程，往两岸贴角高度逐渐均匀减小。河床部位设置阶梯过渡，增大应力扩散面积，减小下游坝趾应力集中程度。

(3)贴角分缝与相应坝段横缝一致，同大坝横缝一起进行接缝灌浆。贴角自身不设置伸缩缝。

(4)上游贴角采用中贴角方案，上游贴角与坝基岩体之间进行脱开处理。

6 贴角设计方案计算分析

对依据计算成果设计的贴角布置方案，进行各种不同荷载工况下的坝体应力计算，得出上、下游坝面的主应力极值见表1。表中同时列出了不设置贴角的坝体应力极值。

从坝体应力分布看，设置贴角对坝体应力分布规律影响很小，坝体应力分布近于对称；贴角设计方案较不设贴角方案，上、下游坝面拉压应力极值减小，并且下游坝面压应力分布得到改善，应力分布更为平顺。

图1 溪洛渡拱坝贴角平面布置

图2 溪洛渡拱坝下游贴角立面

贴角设计方案在各个工况下，下游贴角均处于受压状态，未出现拉应力。按照混凝土四参数准则，贴角点安全系数在6.3以上，贴角处于弹性工作状态。

对贴角设计方案，进行各种不同荷载工况下的基础变形及坝基点安全系数计算，得出坝基各个高程基础的点安全系数见表2。表中同时列出了不设置贴角的基础点安全系数极值。

表1 溪洛渡拱坝上下游坝面主应力 MPa

注：应力以拉为负，以压为正。

表2 贴角设计方案拱端点安全系数

从坝基础点安全系数看，贴角设计方案沿拱坝周边基础点安全系数大致随高程降低而减小，分布规律与不设贴角时相似。贴角设计方案改善了坝址处的应力传递状态，使低部高程的下游坝址处基础的点安全系数有较显著的提高；同时提高了坝体刚度，坝基变位比不设贴角时的变位减小，下游贴角处位移与大坝和岩体变形协调，变形梯度更为均匀。

7 结 论

在拱坝浇筑时，坝体周边上、下游部位设置一定高度的贴角是必要的。通过合理地布置上、下游贴角，能方便施工，提供施工期及运行期的交通便利，能加大拱坝底部的刚度，并对坝体周边应力和基础部位的应力传递起到一定的改善作用。

周边贴角对坝体应力和基础点安全系数都会产生影响，应结合拱肩槽开挖的地形条件、坝基地质条件、拱坝基本体形综合考虑贴角的布置设计。通过对坝体应力分布的影响分析，坝体及基础变形分析，贴角结构的应力状态分析，基础点安全系数的影响分析，经综合比较确定相对最优的贴角布置方案。

本文针对溪洛渡拱坝上下游贴角布置，分析不同贴角方案的各个工况下，大坝、基础应力及变形状态；总结了不同贴角方案对坝体应力及基础点安全系数的影响规律；通过综合比较，提出了推荐的贴角形式及布置方案。计算分析表明，贴角设计方案在改善坝身拉压应力、改善坝体和基岩的协调变位和应力扩散、提高坝肩点安全储备等方面，均达到了设计的目的。

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