水利工程论文-平和花溪拱坝设计前期分析及施工调整.doc

水利工程论文-平和花溪拱坝设计前期分析及施工调整【摘要】文章通过花溪拱坝设计实例，体现设计前期的预见分析和判断，对设计中各参数初值选取时能较准确地切入，从而缩短设计周期的重要意义。在最后确定设计成果时，综合考虑施工期间一些主客观不确定因素的影响，预留少许可调整的余地是必要的。【关键词】拱坝；分析；设计；调整一、前言（一）工程概况花溪拱坝是平和花溪水电站水库拦河坝，位于九龙江流域花山溪支流中游。控制流域面积201km2，水库总库容358.36万m3，工程属等小（一）型，建筑物级别为4级。拱坝设计最大坝高44.1m。大坝按30年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。拱坝泄洪采用坝顶自由溢流方式。坝顶高程166.1m，堰顶高程159.5m，设计洪水位164.14m，校核洪水位165.36m。（二）工程地质坝址段河流较平直，坝址河谷地形呈“V”字型谷，河床水面宽26.0m，岸坡不平顺，坡度5280。岩性为晚侏罗世次花岗斑岩，河边岩石弱风化，向坡高处风化岩石渐厚，有顺河向与垂河向压性小断层通过，宽0.31.0m。右岸裂隙发育但闭合，左岸规模较大的裂隙垂直河向和平行河向延伸，并有缓倾角裂隙。工程地质评价为“右岸工程地质条件好、河中段较好、左岸一般”。拱坝可置基于弱风化岩层。二、设计前期分析（一）拱圈线型的选择坝址河谷地形深切呈“V”字型谷，较狭窄。弦高比为2.17，属较规则窄谷，这种地形建坝，拱作用占优势，选用圆拱较合适。本拱坝属中低坝，从设计、施工便捷和结构简单角度考虑，应首先考虑选用圆形拱坝。（二）圆拱形态的选择据设计开挖线，拱坝建基面河谷开挖后略呈梯形。两岸稍不对称。参照国内外专家观点与工程实践，认为狭窄梯形河谷（弦高比小于3），单心圆拱坝最好，有实例分析显示应力情况比三心拱好许多。对于不对称河谷问题，有观点主张采用二心圆拱，由于本坝河谷不对称程度并不严重，考虑设计及施工简便，宜采用单心等厚圆拱。（三）平面布置的选择坝址段河流较平直，坝址处河谷平面呈小喇叭口型，左岸向下收缩较大，右岸收缩较小，左右岸稍不对称，坝基开挖立面略显梯形。在平面布置时可考虑三种处理方式：1.可用砼回填浇筑“改造”地形，使河谷大体对称；2.将河谷挖成对称或大体对称的坝基；3.不做任何河谷整形（回填或开挖），只进行一般情况下的坝基开挖，将拱坝坝身设计成自然不对称。由于坝址处属窄谷，低部两岸岩石裸露，呈弱风化。采用大量开挖整形方式欠妥。采用回填改造又显不经济。且两岸不对称程度不严重，因此，本拱坝在平面布置时宜采用第三种方式，让拱圈呈自然不对称。布置时应“兼顾左右岸”保证满足规范“30要求”。让大坝圆心线与河道中心线不完全平行，如此，各拱圈内弧面与各高程可利用岩体等高线间均可获得较大夹角，具有稳定的坝肩工作条件。（四）拱中心角的选择处于喇叭口型的拱坝，建坝后如“自紧式”的塞子，在荷载作用下，愈压愈紧，且开挖量不大，拱中心角可以选大一些。另一方面，建基立面为梯形河谷，顶、底拱宜选用较大的中心角。中心角大应力条件好，拱端较拱冠更易发生拉应力，在坝体设计调整中更易达到要求，取得良好的力学效果和经济效果。（五）拱冠梁形态的选择双曲拱坝从拱冠剖面上看大体分三种形态：前倾双曲拱坝、后倾双曲拱坝和自然双曲拱坝。拱坝前倾虽可利用重心前移减少上游坝踵的拉应力或增加压缩趋势，但相应会在坝下游面低部或坝趾出现较大拉应力，且上游面下部倒悬度较大，施工不便。拱坝后倾虽对抗震特别有利，但上游面下部及坝踵会出现较大拉应力，且下游面倒悬度较大，施工不便。花溪拱坝根据河谷形状、地质情况及坝高等因素，宜采用介于上述两者之间的自然型双曲拱坝，即拱冠梁前倾或后倒不明显的一般双曲拱坝，这种拱坝较适合梯形河谷，在倒悬度、拱圈半径和应力三者之间调整时，较好控制，且容易达到要求。（六）拱冠梁参数选择拱冠梁特征值除已拟定的坝顶厚Tc，坝底厚Tb外，还包括上游面最大外挺值X。及最大外挺高度2H，下游面最凹值X0及最凹点高度3H，坝基外挺值1Tb及各层拱圈厚度等（如图1所示）。这些特征值关系到大坝的工程量，拱冠梁底的拉应力及两岸悬臂梁倒悬度的大小等有关设计质量的问题。拱冠梁断面上、下游面可采用以下三次曲线方程表示，坐标系及参数如图1所示。XC。+C1（Y/H）+C2（Y/H）2+C3（Y/H）3上游面曲线具有以下边界条件：当Y0，X-1Tb；Y2H，XX。及XY0；YH，X0。下游面同样具有以下边界条件：当Y0，X（1-1）Tb；Y3H，XX0及XY0；YH，XTc。拱冠梁厚度TX下一X上从上述边界条件可见，需联立方程组求解，除Tc，Tb已知外，还应确定1Tb、X。、2H、X0、3H。坝基外挺值1Tb，国内较成熟的观点认为对于自然型双曲拱坝10.30.6，即坝轴线大体交于基础宽度的上、下三分点以内。从花溪拱坝的河谷形状及宽度情况看，拱冠梁底拉应力值较易满足，主要应控制拱冠梁上游下部的倒悬度，以免引起两岸悬臂梁上游倒悬度过大，影响施工。因此，1在初值选取时拟取大值，即拱冠梁略显后倾。上游面最大外挺高度2H和下游面最凹点高度3H，根据通常经验20.20.4、30.50.8，在坝顶和坝底厚度已定的前提下，此两高度值对坝体工程量大小起着主要影响作用，高度上升，拱冠梁中部显厚，高度下降，拱冠梁中部显薄。根据本坝自身情况，两高度系数2、3宜取小值，既能满足应力和稳定要求，又能获得良好的经济效果。上游面最大外挺值X。和下游面最凹值X0,均关系到坝体的厚薄程度，尤其X。的大小直接影响着拱冠梁上游面下部和两岸悬臂梁上游倒悬度大小。对本拱坝，在满足应力和稳定要求前提下，宜取小值。（七）倒悬度控制平面布置初定后，对左右两岸的边梁剖面倒悬控制，规范规定“一般不宜超过1:0.3”。据本人经验体会，执行此条，不应教条，适当要有灵活性，如有需要局部也可较1:0.3稍高些，并通过工程措施予以解决。灵活掌握这一点在拱坝设计调整中尤为实用。三、拱坝设计计算（一）应力计算根据以上设计前期预见分析：本坝坝型选用双曲单心等厚园拱，顶拱半径按0.6倍开挖后拱端弦长即58m确定；顶拱中心角取较大值为111.5；本坝设计最低开挖高程为122.0m，河床狭窄，为使底拱有较大的中心角，以获得较好的力学效果，设计采用2.0m厚的砼垫座进行调整改良，即起拱高程为124.0m，底拱中心角亦取较大值为