曾宪岳 教授级高工
一、前言
重力坝是一种运用很广的坝型，其特点是利用自身的重量来维持坝体的稳定，可适用于各种地形条件，坝顶和坝体中可以做开敝式或孔口式溢洪道，解决水库泄洪的问题。其缺点是坝体体积较大，因而增加坝体的工程量和造价。以往常常采用坝体不同部位采用不同标号的砼（或不同材料）来降低工程造价，但这样降低造价的幅度有限。为了解决降低重力坝造价这个问题，我们在河头一级电站的设计中采用了空腹重力坝的型式，并与浙江大学土木工程学系合作，开发了“基于windows的实体、空腹重力坝分析与优化”的设计软计，在设计中成功运用，取得了一定的经济效益和社会效益。
二、采用空腹坝设想的提出
河头一级电站位于广东省连平县新丰江支流大席水中游，坝址集雨面积450km2，水库库容612万m3，坝高41.5m，水电站装机容量6000kw。工程设计单位为广州市水利水电勘测设计研究院，建设单位为连平县河头一级电站工程指挥部。
工程初步设计于1992年9月完成。工程的特征：坝址两岸山体雄伟，地形狭窄，河谷呈V型，底宽约60m，基岩出露，岩石为砂岩。在选择坝型时比较过重力坝、拱坝、土坝、堆石坝等。由于坝址集雨面积较大，年径流量达4.456亿m3，而库容很小，调节能力差，因此水库的泄流量大，泄洪次数多。采用土坝、堆石坝要开很大的溢洪道，在当地地形条件下不现实；采用拱坝，坝体和溢洪道结构复杂，工程总造价不能节约。最后选用了浆砌石重力坝方案。但是重力坝的体积较大，坝体材料未能充分发挥，坝的造价较高。在技施设计阶段，我们提出将实体重力坝改为空腹重力坝，并实现优化设计的设想，并与浙江大学土木工程学系合作，共同开发软件用于本工程。
我们的目标是：研究出一种在满足坝体稳定、应力要求的前提下，使坝的体形、空腹形状优化、坝体体积最小而方便施工的坝型，开发出满足上述要求的较理想的计算机软件。
三、实体、空腹重力坝优化软件的开发与应用
我们的设想提出后，由广州市水利水电勘测设计研究院提出申报，在广州市水利局和广东省水利厅的支持下，列入1998年度广东省水利厅的科研项目。研制工作从1997年11月开始，至1998年基本完成，并在河头一级电站技施设计中应用。
我们采用的方法是：
1、根据已有的经验进行空腹重力坝优化设计的模型塑造，在此基础上选择合适的优化算法。
2、编制与完善有关计算程序。
3、以河头一级电站浆砌石空腹重力坝为实例，拟定多个方案，反复进行电算，设计出满足稳定、应力条件下体形最合理、工程量最小的坝型，当上述要求与施工方便之间有矛盾时，经过调整，使之达到统一。
对软件的要求是：适用于各种实体、空腹重力坝各个阶段的优化设计。要求优化方法合理，收敛速度快、稳定性能好、输入直观、输出图形化。在满足各种技术条件下，达到坝体方量最省。
软件开发后，即用于河头一级电站空腹重力坝的技施设计。初步设计的设计方案（实体重力坝），坝段方量11876m3，稳定安全系数1.00，用新软件进行优化计算，获得六个较优方案，其中第6方案坝段方量9207.9m3,稳定安全系数1.05，以坝段计，优化后比原设计节约22.5%。优化坝段剖面见图1。
实际采用的剖面如图2。坝体总方量60489m3，比原设计减少5337m3，同时减少坝基石方开挖1679m3，总计节约资金123.38万元。由于该工程地形狭窄（靠两岸的坝段不设空腹），所以坝体总的节约方量不多。河谷越宽，节约方量越多。
在实际施工中，空腹部分的河床基岩没有进行开挖，河床以上的空腹部分，应用坝基开挖出的石碴回填，两侧用干砌石，中间填石碴，表面用砂浆抹面，形成设计的空腹拱形，上面砌石，这样减少了石碴的运输，节约了空腹拱的模板，施工很方便。实际施工的坝剖面见图3。
该工程于1998年10建成开始发电，至今安全运行了七年多。
四、对本软件和空腹重力坝的评价
1999年12月21日，浙江省科学技术委员会组织专家对本软件成果进行了鉴定。鉴定意见指出：
“软件为windows环境下中文操作平台，界面友好，操作简便，数据的输入输出直观，可视化程度高，应用功能齐全。”
“该研究成果已成功应用于广东省连平县河头一级电站（已投产运行）的实体、空腹重力坝的设计，取得显著的经济效益和社会效益。”
“鉴定委员一致认为，该研究成果具有国内先进水平，其中优化算法中改进的约束变尺度法具有国内领先水平。”
鉴定委员会建议，为了便于今后更广泛推广应用该研究成果，应考虑温度荷载，并结合即将颁布的重力坝设计新规范，在应力与稳定约束的计算上作相应的补充完善。
对于空腹重力坝，除了有重力坝的优点外，还有如下的优点：
1、空腹部分减少了坝体工程量，且使坝基排水具有良好的通道，可有效地减少扬压力，比实体重力坝节省坝体工程量10～30%，河谷越宽，节省工程量越多。
2、较实体重力坝减少空腹部分的基岩开挖和复盖层开挖。
3、空腹重力坝的前后腿嵌固在基岩内，对提高其抗滑稳定性有利。
4、底部空腹的存在，有利于坝体散热和坝底部的施工。
5、由于坝体断面腹拱的存在而产生“拱效应”，使坝材料强度能较好地发挥。
空腹重力坝的缺点是结构较复杂，施工难度增加。
河头一级电站由于采用空腹重力坝的坝型，施工中利用坝体河床右岸底孔和浆砌石明渠导流，上游只做了简单的围堰。然后集中把坝前腿部分抢高，使坝体起到围堰的作用，减少了施工导流的临时工程量，加快了工程进度。
通过河头一级电站空腹重力坝的优化设计和施工实践，我们认为：应用“基于windows的实体、空腹重力坝分析与优化”的软件进行实体、空腹重力坝的设计，可以缩短设计时间，提高设计效率和水平，节省工程投资，特别适用于中小型的实体、空腹重力坝设计。对于坝较高（如坝高30m以上），工程较大的重力坝，应尽量做成空腹型式，它不但可以节省工程量，节约投资，而且可以加快施工进度。
由于广州地区的水利主要是城市水利，在本工程以后，再没有第二个工程的实践。其次，由于是地方上的工程，坝体内没有埋设观测仪器，大坝沉陷、位移观测也不正常、使大坝投入运行后的资料缺乏。这些都不利于本软件的推广运用。但是空腹重力坝这个坝型还是具有生命力的。
