浆砌石拱坝的优化设计

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摘要：浆砌石拱坝由于在材料、施工、设计等方面的优越性，近年来在我国发展迅猛，在各地中小水利工程中应用广泛。因此，浆砌石拱坝的优化设计成为现阶段具有实际意义和理论价值的重要问题。本文分析了浆砌石拱坝的特点，进而从平面布置、应力分析和拱坝体型三个方面对浆砌石拱坝的优化设计做出了解答。

关键词: 浆砌石拱坝，优化设计

Abstract: plasma QiShi arch dam in material, construction, because the superiority of the design in recent years, the rapid development in our country, in small and medium-sized water conservancy project all used widely. Therefore, the optimization design of the pulp QiShi arch dam as the theoretical value and practical significance of the important problem. This paper analyzes the characteristics of the pulp QiShi arch dam, and from the plane layout, stress analysis and arch dam body, three aspects of plasma QiShi optimization design of arch dam made answer.

Keywords: plasma QiShi arch dam, optimization design

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

一、砌石拱坝的概念及特点

砌石坝又名烤工坝，它是由一定规格的石料经浆砌或干砌而成的一种挡水建筑物。在平面上呈拱型，起到拱的传力作用的砌石坝，即为砌石拱坝；浆砌的砌石拱坝，即为浆砌石拱坝。

从20世纪70年代起，我国拱坝建设迈入了全新的发展阶段，中小型砌石拱坝得到了迅速发展，截至80年代末，世界范围内共兴建高度15m以上的拱坝达1592座，其中我国753座，占总数47.3 %；截至2000年年底，我国坝高15m以上的砌石坝共有2683座，其中砌石拱坝为1538座，占总数的57.3%。这些砌石拱坝工程在当地的国民经济发展中发挥了巨大的作用。

拱坝是坝体向上游凸出，在平面上呈拱形，拱端支承于两岸上的混凝土或浆砌石的整体结构。作用于砌石拱坝上的荷载，大部分都由其坝体拱的作用传递到两岸坝肩岩体上，小部分则通过竖向悬臂梁的作用传至坝基。拱坝的自身调节能力非常强，即使在局部受力过大时，也能自行调整，只要坝肩稳定可靠，就不致影响其整体的安全性。拱坝的稳定性不像重力坝那样主要依靠自重来维持，而是主要依靠两岸坝肩岩体的反作用力来维持。一般来说，拱的作用越强，坝体的厚度就越能减小，坝体体积也就越小。大坝采用现代技术理论进行设计和施工的历史约近150年，在这段时期内，实践证明拱坝是各种挡水坝中最为安全的一种砌石拱坝除了它的安全性、经济性外，还存在着因地制宜、就地取材、施工简易，初期工程量小、便于改善劳动条件，便于导流和度汛等诸多特点。

综上所述，砌石拱坝是一种工作条件好，超载能力极强的坝体结构形式，其抗震性能好、具有可靠的抵御意外洪水及涌浪翻坝的能力，而且垮坝事故率低、耐久性能好，其综合安全性和经济性都非常的优越。

二、浆砌石拱坝的优化设计

1、平面布置

在拱坝平面布置中，坝顶中心角的选择直接影响到坝身应力的分布和两坝肩的稳定，根据《浆砌石坝设计规范》规定：浆砌石拱坝顶部拱圈最大中心角以80度一110度为宜。拱圈中心角确定后，园弧拱冠梁断面的选取，意味着该坝应力情况及坝体方量的确定，在拱冠梁断面体型的初选中，应根据地形条件及坝高情况确定。坝顶厚度T如选择较厚，工程量相应增大；坝顶厚度T太薄，坝顶又易出现径向裂缝，不利于稳定。

挺南浆砌石拱坝位于浙江省苍南县挺南村，处在南港流域横阳支江的支流上, 建坝地基断层节理不发育、岩石大部分，分化不深，相对不透水层埋藏较浅, 工程规模为小（1）型，主要建筑物级别为4级，正常蓄水位为147m，相应库容800万立方米，校核洪水位149.88m, 坝址选在“S”型河段的直线段上，河谷呈“V”型，河谷宽高比2.38，坝区天然石料丰富，适于修建浆砌石拱坝。

以挺南浆砌石拱坝为例，由于坝址河谷不对称且左缓右陡，左岸高程130m以上，岩石风化程度较深，微风化岩面出露高程较低，因此初步设计大坝平面布置偏于左岸，以减少平面布置的不对称，但是顶拱左岸半中心角仍高达68.3度，比右岸半中心角大15度之多，致使高程130m以上的拱圆弧切线与地形交角较小（均小于30度），对左岸坝肩的稳定极为不利, 这种布置使拱坝受力偏于左岸，而从两岸下游拱座比较来看，左岸地形较平缓，拱座显得较单薄，因此初步设计大坝平面布置明显不合理,对本工程的优化设计，首先从调整大坝的平面布置入手, 拱坝中心线调整到基本与河流深弘线一致的位置，即在初步设计的位置上向右岸移动约4米，其方位为NW8.82度,顶拱圆弧半径60米，中心角104.5度（左半中心角56度，右半中心角48.5度），高程130m以下两岸基本对称，以上左右岸半中心角差值大致控制在8度左右，这样减小了平面布置上的不对称。

2、应力分析及优化

以拱冠梁为代表计算拱梁应力分析，是一种近似计算方法，在实际工程中被常常采用，应力计算中，计算荷载：自重、淤沙压力、水压力、渗透压力及温度荷载，荷载组合采用基本荷载组合。见下表：

拱坝基本参数表

通过垂直荷载作用下的径向变位系数、弯矩及径向变位计算，建立拱梁协调方程式，计算出坝体各层拱圈及拱冠梁的应力分布，如下表所示：

然后，通过应力分析，根据具体的工程数据，便可得出其应力值是否符合规范要求，大坝是否安全、稳定。

3、拱坝体型优化

优化设计的目的，是使得拱坝在给定的应力等约束条件下，通过计算分析充分发挥材料的潜力，从而得到坝体工程量最小的结构。

本人主设计的银坪水电站拦河坝位于连山县上帅镇陈屋村委会上游2.5公里的上帅河荣昌水，坝高30米(含基础3米)，总库容为28万立方米，工程规模属小(二)型，主要承担银坪一级电站发电任务。该大坝在初步设计时为浆砌石重力坝，经工程技术人员多方案论证，根据地形地貌的有利条件。坝型由原来的浆砌石重力坝变为现在的单曲拱坝。

以下银坪水电站浆砌石单曲拱坝为例，其砌石拱坝的体型优化适合采用满应力法，该方法通过容许应力来控制坝身各部最大应力，并使得应力分布均匀，从而达到结构最轻的目的。

其计算方法是：初拟坝体断面，通过应力计算，反算新的拱圈厚度T(用公式：-N／T±6M／T2=[δ])，反复迭代，最终得出最优拱坝体型。

银坪水电站浆砌石单曲拱坝顶宽取1.2m，底宽取5．4m，计算高度为30m，厚高比B／H=0．18，通过应力计算分析，在570高程截面拱端上游面出现较大的拉应力，超出规范值0．979kg／Cm2。其余应力值均符合规范要求，导致570m高程截面拱端拉应力超出规范值的原因有：(1)水库大坝左、右中心角偏大，(2)初拟坝的断面尺寸过小。解决这一问题方法有：A、对左坝肩进行削坡，放缓坡度，使左右中心角减小2度；B、重新拟定坝体尺寸，进行应力分析计算，直到应力值均在规范要求内为止；C、对坝体尺寸做局部调整，使应力值在规定范围内。综上分析，对左、右坝肩削坡，工程量太大，且易破坏岩石完整性，不易采纳；重新拟定尺寸，必将使大坝断面尺寸增大，坝体工程将增大，不经济，也不予采纳；对坝体局部尺寸存进行调整，使超出部位值在规范以内，从而优化坝体设计，使之既经济，又安全，采用此种方法较宜。银坪日调节水库大坝应力只有局部一处超出允许应力0．979kg／Cm'，鉴于此情况，最后在570m高程截面上1米处，上游坡做成直立壁，经优化计算(用公式：(-N／T±6M／T2=[δ])，在570高程截面左、右半角拱端最大拉应力6=1Okg／Cm。，符合规范要求，从而达到了大坝优化设计的目的，使水库大坝稳定、经济、可行。

附：银坪单曲拱坝基本工况计算结果

参考文献：

[1]林传光. 福建旺坑水库电站砌石拱坝设计与优化[M].海河大学：2005

[2]万学军,李传才. 挺南浆砌石拱坝优化设计[J]. 武汉水利电力大学学报.2000(8)：26-28

[3]黎展眉.拱坝[M].北京：水利水电出版社，1982

[4]朱伯芳，高季章，陈祖煜，厉易生.拱坝设计与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2002

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