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龙滩碾压混凝土大坝设计概述
摘 要 本文简要介绍了龙滩碾压混凝土大坝的设计情况，包括大坝枢纽布置、坝体断面设计与复核、应力与稳定分析、坝体防渗结构设计、坝基处理设计、坝体结构等。 关键词 龙滩水电站 碾压混凝土坝 坝体设计
1 概述
龙滩水电站位于广西天峨县境内，是红水河上的“龙头”电站。该工程以发电为主、兼顾防洪和航运，坝址以上控制流域面积98500km2，多年平均流量1630m3/s，多年平均径流量514亿m3。工程按正常蓄水位400.00m设计，分两期建设。初期建设正常蓄水位375.00m，相应库容162.10亿m3，装机4200MW；后期正常蓄水位400.00m时，相应库容272.70亿m3，装机5400MW。工程规模为大(1)型，主要建筑物按1级建筑物设计，大坝及泄水建筑物防洪标准按500年一遇设计，10000年一遇校核。
坝址河谷为较宽坦的“V”型谷，宽高比为3.5左右。河床两侧均有基岩礁滩裸露。左岸地形整齐，山体宽厚，右岸受冲沟切割，地形完整程度稍逊左岸。坝址岩石为轻微变质的三叠系罗楼组和板纳组砂岩、粉砂岩、泥板岩组成，属坚硬和中硬岩石。
龙滩大坝的抗震设防类别属“甲”类，抗震设防烈度在基本烈度基础上提高1度，按8度设防。
2 碾压混凝土坝枢纽布置
龙滩水电站枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统及通航建筑物组成。布置在右岸的通航建筑物，采用二级垂直提升式升船机；河床坝段布置泄水建筑物，由7个表孔和2个底孔组成，采用挑流消能；引水发电系统布置在左岸，发电厂房布置在左岸山体内，为全地下厂房。
大坝为碾压混凝土重力坝型，前期最大坝高192.00m，坝顶高程382.00m，坝顶长761.26m，后期最大坝高216.50m，坝顶高程406.50m，坝顶长849.44m。坝轴线为折线型，主河床段坝轴线方位角11.42°，与河流流向接近垂直，右岸通航坝段右侧坝轴线向上游折转30°角，左岸进水口坝段坝轴线向上游折转27°，为便于大坝与左岸岸坡相接，⑨号机左侧挡水坝段坝轴线再向下游回转36°。
大坝共分为35个坝段，其中右岸1～4号和6～11号坝段为挡水坝段，5号坝段为通航坝段，河床12号和19号坝段为底孔坝段，13～18号坝段为溢流坝段；左岸20、21、31～35号坝段为挡水坝段，其中20号坝段布置有电梯、电缆井等；21号坝段为三角转折坝段；22～30号坝段为发电进水口坝段。前期建设只包括2～32号坝段，其余坝段在后期加高时修建。
3 坝体断面设计与复核
大坝基本体型设计采用了以下几项主要措施：（1）大坝采用富胶凝RCC材料，全高度采用RCC进行浇筑；（2）坝上游面采用变态混凝土和二级配碾压混凝土防渗；（3）坝基面扬压力计入抽排减压效果；（4）采用最优化方法确定大坝的经济断面。
根据龙滩坝址的地质条件，大坝不存在沿坝基础深部的滑动失稳问题，大坝经济断面的设计按坝基的应力、稳定条件以及上游坝面无拉应力条件控制，坝体内任意高程的RCC层面的应力和稳定条件通过合理设计RCC配合比达到设计需要的材料强度来满足。龙滩大坝断面抗滑稳定、应力约束条件见表1。
根据龙滩大坝的布置情况，大坝体型优化的典型断面选取河床最高溢流坝段、最高挡水坝段，和右岸岸边接头最高挡水坝段进行优化。断面优化分别按正常蓄水位375.00m和400.00m进行。由此确定大坝各典型断面的几何参数见图1和表2。
表1 坝基面稳定、应力约束条件
荷 载 组 合 抗滑稳定 坝踵、上游坝面正应力 1
计扬压力 基本组合 特殊 组合 (1) (2) 正常蓄水情况 校核洪水情况 正常+地震情况 K′≥3.0 K′≥2.5 K′≥2.3 σyμ≥0.0 σyμ≥0.0 (a)
河床挡水坝断面 (b) 河床溢流坝断面
图1 大坝基本体型与混凝土分区图 表3.1-2 坝体典型断面几何参数
断 面 名 称 前 期 后 期 溢流坝段 河床挡水坝段 接头坝段 溢流坝段 河床挡水坝段 接头坝段 坝基面高程 (m) 190 210 300 190 210 300 上游起坡点高程(m) 270 270 - 270 270 - 上游坝坡 1∶n 0.25 0.25 铅直 0.25 0.25 铅直 下游起坡点高程(m) 385.5 380.5 380.5 408.5 406.5 404.0 下游坝坡 1∶m 0.66 0.70 0.66 0.68 0.73 0.68 从各典型坝断面坝基面的稳定与应力成果分析，溢流坝段坝基面的抗滑稳定主要受后期断面的基本荷载组合控制，抗滑稳定安全系数K′接近于3.0，其他约束条件还存在一定的裕度。河床挡水坝段坝基面抗滑稳定在荷载基本组合时，前、后期断面均已接近K′≥3.0的约束边界。岸边接头坝段由于坝高较低，其起控制作用的约束条件为校核洪水时坝踵的应力约束，坝踵正应力已接近σyu≥0的约束边界，地震情况时出现约0.3MPa的拉应力。
从坝体的应力成果分析，溢流坝段及河床挡水坝段的断面还受到上游坝面的最小主应力的约束，在荷载基本组合和特殊组合（1）时，上游坝面最小主应力已接近σ
2μ
≥0的约束边界；岸边接头坝段上游坝
面为垂直面，上游面最小主应力与水平截面上的正应力相等，断面主要受上游坝面的应力条件约束。
由于DL5077－1997《水工建筑物荷载设计规范》、DL5108－1999《混凝土重力坝设计规范》、DL5073－2000《水工建筑物抗震设计规范》等规范的重新制订和颁布以及现阶段大坝设计的基本资料也有所变化，根据新规范对按原规范设计的大坝体型进行了复核， 新规范结构设计采用概率极限状态设计原则，以分项系数极限状态设计表达式，分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行下列计算和验算：
1) 承载能力极限状态 大坝建基面、内部截面进行强度和抗滑稳定验算。
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2) 正常使用极限状态 按材料力学方法进行坝体上、下游混凝土拉应力验算。
验算成果表明，溢流坝段、挡水坝段等典型坝段坝基面和各典型层面在各种荷载组合情况下的抗压强度、抗滑稳定和拉应力均满足要求。
4 应力与稳定分析
针对碾压混凝土坝具有众多层面的特点，分别用虚裂纹模型边界元法、断裂带有限元法、夹层单元法等非线性断裂分析模型，对压剪断裂试验进行了反分析，求得了断裂参数，研究了试件的尺寸效应和破坏的全过程。在此基础上研究了龙滩大坝的破坏机理、破坏过程、失稳方式、稳定准则和强度储备系数，并论证了龙滩坝的安全性。通过试验与计算相结合，研究了RCC的动力特性和仿真模型材料，发展了动力模型破坏试验技术。研究了地震荷载作用下大坝的动态断裂特性，提出了动态断裂强度确定的新观点，论证了大坝的抗震潜力和安全储备，提出了大坝抗震安全评价准则等新概念和新方法。通过大坝的仿真结构模型破坏试验，获得了碾压混凝土坝的两种可能破坏模式及超载安全度。 4.1 线性及非线性有限元分析
为了反映龙滩碾压混凝土重力坝成层体系的特性、建立了精细的数值计算模型，对坝体的层状结构研究了节理单元模型和层状材料模型。
计算结果表明，坝体应力与位移的分布规律是合理的，坝体绝大部分区域为压应力区，抗压安全系数小于4.0的区域不超过坝底宽的10%，坝踵的断裂区远未发展到防渗帷幕，坝体应力满足设计要求。由有限元法求得的层面应力状态和相应层面的抗剪断强度参数来计算层面的抗滑稳定安全系数Ks，计算表明坝体沿坝基面及各高程RCC层面抗滑稳定安全系数均满足设计规范Ks≥3.0的要求，且由坝基面控制。 4.2 非线性断裂力学分析
从研究混凝土破坏机理入手，考虑混凝土裂缝尖端出现应变软化区这一实验现象，建立了张拉与压剪虚裂纹模型和张拉与压剪断裂带模型及相应的边界元和有限元计算方法。计算表明，龙滩碾压混凝土重力坝的稳定安全储备满足要求，溢流坝断面和挡水坝断面整体稳定强度储备系数k＞2.5。 4.3 抗震研究
针对龙滩碾压混凝土重力坝特点，建立了含层面的混凝土重力坝非线性开裂分析模型的计算程序，对龙滩大坝进行了动荷载条件下的开裂分析，并按超载系数法给出了大坝的抗裂安全度，计算分析的结果表明，龙滩大坝的体型设计是合理的。该体型具有较好的抗震性能，在满库、地震荷载作用下，坝体上部结构初始开裂的地震加速度大于0.35g，相对薄弱的部位是坝踵，在满库和设计地震荷载作用下，坝踵开裂并向下游扩展约9m，但不损伤坝基防渗帷幕，坝体仍属安全。
同时对龙滩大坝溢流坝断面和挡水坝断面进行了动力破坏试验，研制了仿真模型材料，发展了动力模型破坏试验技术，试验结果表明：龙滩大坝的设计断面可以满足不出现初始微裂的抗震安全性要求，抗震安全系数大于2.0。
4.4 碾压混凝土重力坝结构模型破坏试验研究
龙滩碾压混凝土重力坝还进行了仿真模型破坏试验。采用与大坝相同的碾压混凝土作模型材料，且在模型浇注时，模拟大坝分层碾压的施工过程，保证了模型材料与大坝混凝土的力学相似性。模型试验表明，当荷载升到2.5倍设计荷载时，部分测点屈服；升到3.0倍时，建基面上的测点大部分屈服；升到3.15倍时，产生沿210m和200m高程碾压混凝土层面的台阶式滑动。从结构模型破坏试验研究再一次论证了龙滩大坝的安全储备满足要求。另外，还对碾压混凝土重力坝的结构可靠度方法、安全评价方法和准则、大坝失稳(或稳定)准则等方面进行了探讨和研究。
在应力与稳定分析中，研究和建立了多种理论的数值分析方法，采用这些方法对坝体典型断面进行的应力稳定计算结果基本一致，论证了龙滩大坝断面的合理性。起到了相互验证的作用。计算结果全面系统地揭示了龙滩碾压混凝土重力坝的工作状态、破坏方式和存在的相对薄弱区域，为工程的设计、施工和运行监测
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