中式建筑：大花水水电站工程坝肩与拱坝耦合分析

一、工程简况

大花水水电站位于贵州省开阳县与福泉市交界处的清水河中游，距贵阳市62km，是一座以发电为主，兼顾防洪及其他效益的综合水利水电枢纽。装机容量180MW，水库正常蓄水位868.00m，总库容2.765亿m3。拦河大坝为抛物线双曲拱坝+左岸重力墩。双曲拱坝坝顶高程873.00m，坝底高程738.50m，最大坝高134.50m。坝顶宽7.00m，坝底厚25.0m，厚高比0.186。坝顶中心弧长200.16m，最大中心角82.31°，最小中心角55.96°，坝体呈不对称布置。重力墩顶部高程873.00m，底部高程800.00m，上游面铅直，下游坡比为1∶0.80，顶部宽25.0m，底宽74.75m，坝顶长86.31m。大坝坝轴线总长286.47m。坝体大体积混凝土采用C20三级配碾压混凝土，坝体防渗采用二级配碾压混凝土自身防渗。

坝区河谷平直。枯水期河水位高程755m处，河床宽37m；高程815m处，河谷宽约101m；正常蓄水位高程868m处，河谷宽256m。两岸边坡不对称。右岸高程840m以下，为陡坡，岩石裸露，坡角为62°～80°；高程840～900m，坡角为44°～50°；高程900m以上，坡角为25°～27°。左岸高程818m以下，坡角为61°～80°；高程818～893m，坡角为18°～35°；高程893m以上，坡角为40°～55°（图2-9-9）。

图2-9-9　拱坝轴线地质剖面图

岩层产状为N10°W，SW∠27°。坝轴线穿过f1、f2、f3、f23小断层，重力墩基础还有f30断层通过。右岸坝肩开挖将部分涉及f4断层，其中沿f1、f2、f4、f30断层在左岸古河床部分溶蚀严重，高程760m以上多已溶蚀成空缝或溶蚀成夹泥状，溶缝或溶洞宽为0.5～3.0m；右岸沿f3断层在PD2号平硐中有竖管状小溶洞发育，地表沿各断层形成溶沟、溶槽；河床钻孔及物探CT发现有溶蚀裂隙密集带，但未发现有大的隐伏溶洞发育。

表2-9-4　坝址区断层汇总表

主要发育裂隙有3组：

(1)N60°～90°E,NW(SE)∠70°～90°。

(2)N60°～90°W,SW(NE)∠70°～90°。

（3）及N0°～30°E，NW（SE）∠60°～90°。

左岸高程800m卸荷带宽9m，右岸高程868m卸荷带宽12m，高程817m卸荷带宽9m，河床低高程处无明显卸荷带。

二、计算条件

1.物理力学参数与荷载（略）

2.网格离散

计算域底部高程取为600.0m，横河向范围取500m，顺河向范围取400m。顺河向节理的模拟间距为20m，垂直河向节理的模拟间距为40m，缓倾层面的模拟间距为20m。考虑了f1等主要断层，另外用5条虚拟结构面模拟左岸软弱带。采用块体单元自动识别方法和抛物线拱坝自动离散方法建立的大花水碾压混凝土拱坝坝身拱梁系统和坝肩块体单元系统共有块体单元4808个，包括基础块体单元4723个，重力墩块体单元85个，坝身拱梁单元70个（8拱15梁）。其轴测图和平面图如图2-9-10和图2-9-11所示，渲染效果如图2-9-12所示。

拱圈布置俯视图如图2-9-13所示。

3.计算工况

（1）基本荷载组合工况。坝体自重+正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+温降。

（2）特殊荷载组合工况。坝体自重+校核洪水位+相应下游水位+泥沙压力+温升。

三、主要计算成果

1.位移

图2-9-14为基本荷载组合工况下高程820m平切面的位移图，图2-9-15为特殊荷载组合工况下高程820m平切面的位移图。

图2-9-10　坝身拱梁系统和坝肩块体单元系统轴测图

图2-9-11　坝身拱梁系统和坝肩块体单元系统平面图(www.xing528.com)

图2-9-12　坝身拱梁系统和坝肩块体单元系统渲染效果图

图2-9-13　拱圈布置俯视图

在基本荷载组合工况下，坝体最大的顺河向位移发生在拱冠梁顶部，为35.20mm；在特殊荷载组合工况下，坝体顶部的顺河向位移为20.89mm，而最大位移发生在高程820m，为30.34mm。

坝基面下游抗力体受推力作用，变位以指向下游为主，偏向河床。坝基左岸最大变位约为13.50mm，发生于高程820m的软弱带附近；右岸最大变位约为17.19mm，发生于高程800m的断层f4附近。

在重力墩与拱坝左拱端接触面上，重力墩顺河向位移为：高程860m为5.14mm，高程840m为5.60mm，高程820m为7.07mm，高程800m为6.76mm。

2.应力

图2-9-16和图2-9-17是基本荷载组合工况下拱坝上下游面的主应力矢量图。拱冠梁上游坝踵处最大主拉应力为2.57MPa，该处的拱向压应力为-0.87MPa；下游坝趾处最大主压应力为-5.38MPa，该处的拱向拉应力为1.43MPa。拱坝上游面最大主压应力为-4.74MPa，位于高程800m拱冠处；最大主拉应力为2.57MPa，位于高程738.5m拱冠梁坝踵处。拱坝下游面最大主压应力为-5.32MPa，位于高程800m靠近左拱端处；最大主拉应力为1.43MPa，位于高程738.5m拱冠梁坝趾处。

图2-9-14　高程820m位移图（基本荷载组合工况）

图2-9-15　高程820m位移图（特殊荷载组合工况）

图2-9-18和图2-9-19是特殊荷载组合工况下拱坝上下游面的主应力矢量图。拱冠梁上游坝踵处最大主拉应力为2.52MPa，该处的拱向压应力为-0.69MPa；下游坝趾处最大主压应力为-5.27MPa，该处的拱向拉应力为1.54MPa。拱坝上游面最大主压应力为-4.51MPa，位于高程800m拱冠处；最大主拉应力为2.52MPa，位于高程738.5m拱冠梁坝踵处。拱坝下游面最大主压应力为-5.05MPa，位于高程800m左拱端处；最大主拉应力为1.54MPa，位于高程738.5m拱冠梁坝趾处。

图2-9-16　拱坝上游面主应力矢量图（基本荷载组合工况）

图2-9-17　拱坝下游面主应力矢量图（基本荷载组合工况）

3.稳定性

共搜寻到比较典型的32个滑动块体单元组合，其抗滑稳定安全系数全部满足规范要求。

图2-9-18　拱坝上游面主应力矢量图（特殊荷载组合工况）

图2-9-19　拱坝下游面主应力矢量图（特殊荷载组合工况）

四、主要结论

（1）对于右岸坝肩边坡，拱坝传递的推力能够增大结构面的法向应力，并对局部块体单元提供抗力作用，因此拱坝的荷载作用对于坝肩边坡的稳定是有利的。在当前设计条件下，拱坝右坝肩边坡的整体稳定性满足要求。

（3）拱冠梁上游坝踵有较大的梁向拉应力，可考虑设置底部诱导短缝。