某水电站浆砌石拱坝设计

某水电站浆砌石拱坝设计1、概述某水电站位位于xx省某县xx镇，座落落在水支流芭蕉蕉河上，是芭芭蕉河流域开开发的第二级级,坝址距某县县城2.0kmm,坝址集水面面积337.44km2，多年平均均径流量4.55亿m3。大坝采用用浆砌石二心心双曲拱坝，最最大坝高66.0m，水库总库库容2428××104m33。大坝为3级建筑，相相应的设计洪洪水重现期为为50年，校核洪洪水重现期为为500年。2、浆砌石拱坝坝设计2.1坝址地地形、地质条条件坝址位于芭芭蕉河下游河河段腰潭峡狭狭谷中部，河河谷两岸山体体雄厚，呈不不对称的“V”型，左岸岸岸坡约60°，在550m高程以上为为高约180m的陡崖，右右岸岸坡40～50°。河床宽约30m，正常蓄水水位543.55m高程河谷宽宽度约105m，河谷宽高高比1.9：1，具有修建建拱坝的地形形条件。坝址出露三三迭系下统大大冶组第2段（T1d3-2）灰色色薄层微晶灰灰岩夹青灰色色极薄层页岩岩。岩层走向向与河流方向向近于正交，倾倾向下游，倾倾角55°。坝址岩体体岩性均一，薄薄层灰岩与极极薄层页岩的的互层结构，构构成了水库及及坝基（肩）的的相对不透水水岩组。坝址地质构构造裂隙为主主，沿裂隙面面及层面岩溶溶轻度发育，局局部较发育，但但易于处理。坝坝址岩体强度度较高，强性性模量6～8GPa,具备修建拱拱坝的地质条条件。2.2拱坝体体型设计某浆砌石拱拱坝设计在初初步设计的基基础上进行优优化，优化的的原则及思路路为：a.连续性性要求：坝体体上、下游坝坝面是连续、光光滑的曲面；；b.施工要要求：坝体结结构尽量简单单，坝体悬臂臂梁最大倒悬悬度不大于0.3∶1；c.强度要要求：控制施施工质量、尽尽量提高砌体体的抗压强度度和抗拉强度度，但坝体计计算应力不超超过规范控制制值d.稳定要要求：拱座抗抗滑稳定安全全系数不小于于现定值；e.经济性性要求：在满满足上述要求求的基础上尽尽量减小坝体体体积（即工工程量最小）。根据上述原原则并结合坝坝址具体地形形、地质条件件，拱坝在布布置和体型选选择上主要着着重考虑河谷谷不对称，左左岸岸坡较陡陡而右岸稍缓缓；同时，左左岸岩体受裂裂隙影响较右右岸严重，选选择和确定拱拱坝体型时，针针对左、右岸岸坝肩地形和和地质条件的的差异，对各各高程拱圈左左、右两半拱拱的曲率半径径和中心角进进行调整、试试算和选择，确确定拱坝在平平面布置上采采用二心圆拱拱，使左、右右半拱的曲率率半径和中心心角均适应坝坝址的地形、地地质条件，以以使坝体应力力和拱座稳定定均有利。拱坝体型设计计1）坝顶厚厚度TC坝顶厚度按按经验公式（2-1）[1]和美国垦务务局经验公式式[3]（2-2）和初步选选择Tc=0..4+0.001(L+33H)(2-1)0.01（H+2.44L）0.01（H+2.44L）＞TminTc=Tmiin0.01（H+2.44L）＜＞Tmin按上两式分分别计算得坝坝顶厚度Tc=3..66m（2-1）和Tc=3..73m（2-2），但坝顶顶最小厚度按按交通要求定定为Tmin==4.0m，即按式（2-2）取Tc=4..0m。2）坝底厚厚度TB坝底厚度按按任德林公式式[2]（2-3）和式（2-4）[3]分别计算。TB/H==0.1322×（L/H）0.2677+2H/11000(22-3)TB=00.7×LHH[σ](2-44)L=(LBB+LC)//2按(2-33)和（2-4）计算分别别得出TB=19.11m和TB=16.99m，初步设计计阶段拟定的的TB=17.55m。技施设计计时以初步设设计拟定的TB=17.55m作为拱坝优优化设计的计计算初始值，通通过调整拱圈圈平面布置（曲曲率半径和中中心角）、坝坝体倒悬度等等参数，并进进行应力分析析和稳定计算算，采用逐次次逼近和试算算的方法对拱拱坝体型进行行优化，最终终确定本工程程浆砌石拱坝坝坝底厚度TB=15.55m，坝体厚高高比TB/H=0..235。3）拱圈平平面布置有关资料表表明[3]、[4]，拱坝顶部部拱圈趋向于于采用较小的的中心角，且且一般在80°～100°之间，坝体体应力情况较较好，同时可可满足拱端推推力指向两岸岸山体，对拱拱座稳定有利利；底拱中心心角受坝体倒倒悬度及布置置的限制，常常采用40°～80°的中心角。某某水电站浆砌砌石拱坝为适适应两岸不对对称的河谷地地形，拱圈采采用二心园弧弧的平面布置置形式，如图图1。图1.拱坝坝平面布置图图经过逐次逼逼近和试算的的优化方法，对对各高程拱圈圈的曲率半径径和中心角分分左、右两个个半拱进行调调整，在坝体体应力和拱座座稳定满足规规范[3]要求的前提提下，确定顶顶拱中心角为为86°，其中左半半拱37.5°，右半拱48.5°，底拱中心心角54°，左、右半半拱均为27°；顶拱外半半径左、右半半拱分别为RUL=99..35m和RUR=99..47m，底拱外半半径RUB=444.13mm。经计算，在在约1/3坝高部位即505.55m高程附近，正正常蓄水的运运行条件下，拱拱圈产生最大大拉应力和压压应力，进行行平面布置时时，在满足连连续性和坝体体倒悬度要求求的前提下，这这一高程拱圈圈尽量采用较较大的中心角角，经调整和和试算，确定定505.55m高程拱圈中中心角采用72°,其中左、右右半拱分别为为33°和39°，拱圈曲率率外半径左半半拱RUL=63..39m，右半拱RUR=65..94m。4）拱冠梁梁剖面拱冠梁上、下下游坝面由三三段圆弧组成成，其中上游游坝面切点A（高程505.55m）以上为一一段（CA），切点以以下为一段（AB）；下游坝坝面为一段（GF），三段圆圆弧的曲线方方程分别为：：CA段：（x-82..185）2+(2-442.0000)2=92.22952AB段：（x-71..690）2+(2-442.0000)2=81.88002GF段：（x-91..555)22+(2-226.5699)2=91.44972拱冠梁断面面见图2：图2.拱冠冠梁剖面图由上述2）、3）、4）可得出浆浆砌石拱坝基基本参数见表表1。表1浆砌砌石拱坝基本本参数表浆砌石拱坝设设计计算1）拱坝应应力计算拱坝应力采采用拱梁法进进行计算，拱拱圈自溢流堰堰顶高程538.55m开始，计算算时坝体沿坝坝高方向分10段，共计算11层拱圈（见见图2）。荷载组组合取用基本本组合（正常常蓄水+温降）和特特殊组合（校校核洪水+温升）两种种组合方式，计计算结果见表表2。表2拱坝坝应力计算成成果拱坝优化设设计时调整体体型参数和应应力计算、稳稳定分析是一一并进行且反反复试算和选选择的过程，优优化的条件是是坝体应力和和拱座稳定必必须满足规范范规定要求[4]，因此，表2所列应力值值满足悬臂底底部拉应力不不大于1.5MPPa，其它部位位拉应力不大大于1.4MPPa，坝体压应应力不大于3.6MPPa的要求。2）拱座稳稳定分析坝址处裂隙隙具有倾角陡陡，分布稀的的特点，其中中J24为顺河的卸卸荷裂隙，距距坝肩约20m，构成拱座座岩体滑动的的侧裂面，而而J21～J23与河流方向向正交，构成成拱座岩体的的破裂面，起起切割作用。由由于坝址处未未发现缓倾角角的裂隙及其其他构造面，经经分析，拱座座岩体滑动不不存在明显的的底裂面，为为偏于安全计计，分析时取取底裂面为水水平面，其抗抗剪断强度取取与J24相同的参数数：f′=0.6,,c′=0.5MMPa。拱座岩体稳稳定分析采用用刚体极限平平衡法计算拱拱座岩体整体体的抗滑稳定定安全系数[4、5]。在侧裂面F1、底裂F2和破裂面F3的切割作用用下，拱座承承受拱端传来来的荷载、岩岩块自重及渗渗透压力的作作用，拱座岩岩体整体抗滑滑稳定安全系系数KC:Kc=[ff1′(R1-UU1)+C11′A1+f2′(R2-UU2)+C22′A2]/((S1+S22)(2-55)式（2-55）中，R1，R2——结构面F1、F2上的法向力力；f1′,ff2′——结构面F1、F2上的抗剪断断摩擦系数C1′，CC2′——结构面F1、F2上的抗剪断断凝聚力强度度S1，S22——结构面F1、F2上的切面力力A1，A22——结构面F1、F2的面积按式（2--5）经空间力力系的分解、合合成和坐标变变换，计算出出Kc值见表3，其中荷载载组合与应力力分析时相同同。表3拱座座抗滑稳定安安全系数f′=0.6,,C′=0.5MMpa荷载组合左坝肩右坝肩基本组合Kc=5.644Kc=6.677特殊组合Kc=4.088Kc=5.499由表3可以以看出，拱座座岩体整体抗抗滑稳定安全全系数均满足足Kc＞3的要求[3]，但应指出出的是表中安安全系数Kc偏大的原因因主要是左、右右半拱采用了了较小的中心心角，同时拱拱端嵌固较深深，利用岩体体的体积较大大，因此，为为确保拱座岩岩体的抗滑稳稳定安全，对对一定范围内内拱座岩体进进行保护处理理是必要的。施施工过程中，采采用喷锚和护护坡结合的方方式对坝肩岩岩体进行了保保护。2.3坝体结结构和施工控控制拱坝坝体结构构为便于坝体体砌筑施工、浆浆砌石拱坝结结构布置在满满足强度和稳稳定要求的基基础上尽量化化。根据国内内类似规模浆浆砌石坝的施施工和运行经经验[4][66]，某水电站站浆砌石拱坝坝不设防渗墙墙，坝体防渗渗主要靠自身身砌筑材料和和施工工艺、质质量来保证，上上、下游坝面面采用厚约50cm的M10浆砌粗料石石，并随着坝坝体砌筑上升升的同时在上上游坝面喷6～8CM厚砼作为坝坝面保护层，坝坝身采用C15细石砼砌块块石。浆砌石拱坝坝不设纵、横横缝，砌筑时时分层从两岸岸向拱冠砌筑筑，层层封拱拱，整体上升升，上、下两两砌筑层之间间封拱位置错错开3～4m。坝体施工控制制1）施工工工艺文献[7]]对浆砌石坝坝砌筑工艺作作了一般规定定，针对某水水电站浆砌石石拱坝的防渗渗特性和浆砌砌块石材料自自身具有平缝缝抗压强度较较齿缝高而抗抗剪强度较齿齿缝低的特点点，在确定拱拱坝坝体砌筑筑方法时，设设计上要求坝坝身砌筑的施施工工艺为：：块石必须沿沿拱坝半径方方安放，竖向向砌筑（块石石的大面立起起使之与坝轴轴线垂直），浆浆（砼）缝采采用机械振捣捣并辅以人工工敲击、钎插插使之密实。为确保浆砌砌石坝体的防防渗性能，坝坝体施工时，砌砌筑体每上升升3～5m，必须进行行钻孔进行压压水试验检查查胶凝材料的的密实性及坝坝体的渗透性性。要求坝体体的透水率q≤3Lu，对q＞3Lu的砌筑块，采采取灌注水泥泥浆的补强措措施进心进行行处理。2）温度控控制浆砌石坝体体胶凝材料相相对较少，单单位体积水泥泥用量较砼坝坝低60～70%，同时浆砌砌石材料本身身具有砼放热热块石吸热的的热平衡特性性，因此，浆浆砌石拱坝施施工时的温度度控制仅对上上坝材料的温温度和砌筑时时段的气温作作为限制，某某水电站浆砌砌石拱坝坝体体砌筑拟定的的温度控制措措施为：a、本工程程建设区年平平均气温15.4℃，对施工时时气温在5～15℃的时段，可可不采取其他他温控措施；；b、对于日日平均气温低低于5℃的时段停止止砌筑并对原原有砌体采用用薄膜、泡沫沫板、草袋等等材料覆盖以以保温防冻；；c、对日平平均气温在15.4～30℃的时段，对对块石和石子子连续进行冷冷水浇淋，对对砂采用凉棚棚遮盖并向棚棚内喷水，冷冷却用水可直直接采用芭蕉蕉河河水，其其水温一般不不超过15℃；d、对日平平均气温超过过30℃的时段，停停止砌筑并对对原有砌体采采取遮盖、洒洒水等降温措措施。3、泄水建筑物物设计3.1泄水建建筑物型式布布置方案某水电站坝坝址河谷狭窄窄，两岸岸坡坡陡峻，地形形条件限制不不宜布置岸边边溢洪道；同同时洪峰洪量量达2408mm3/s(P==0.2%))，若采用隧隧洞泄洪无疑疑隧洞断面大大，增加工程程投资。设计计时考虑采用用坝体泄洪的的方式。1）由于拱拱坝厚度较薄薄，不可能采采用高大闸孔孔，只宜采用用多孔小闸孔孔的型式，文文献[4]第条，“当由坝体泄泄洪时，宜先先考虑表孔泄泄洪”。根据坝址址处河谷地形形，泄洪表孔孔布置在河床床中部坝段上上，以拱坝基基准面为中心心，在坝顶布布置5孔泄洪表孔孔，溢流堰堰堰顶高程538.55m，单孔净宽7.2m。2）为便于于水库分级放放空和进水口口检修以及辅辅助泄洪、施施工期后期导导流的需要，在在右半拱靠近近七眼泉公路路部位设置泄泄洪中孔，中中孔孔口尺寸寸3×4.00m，进口底部部高程514.55m。3.2泄洪建建筑结构型式式泄洪表孔泄洪表孔单单孔孔口尺寸寸7.2×99.0m，堰顶高程538.55m，采用开敞敞式的实用堰堰，溢流面WES曲线方程y=x1.885/7.5，曲线在切切点C（3.99116,1.772641）下游分别别与半径R=5.00m的圆弧和坡坡度为1∶0.8的直线相衔衔接，形成差差动齿坎。溢溢流堰堰面头头部为椭圆曲曲线，堰头悬悬出上游堰面面顶点1.4255m，溢流曲线线水平投影长长度10.7554m。堰顶设7..2×5.00m的平均钢闸闸门作为工作作门，考虑到到表孔每年都都有超过2个月的时间间其上游水位位低于堰顶高高程538.55m，因此工作作门有足够的的检修和维护护时间，无须须再设检修门门，工作闸门门采用卷扬启启闭机控制，见见图3。图3.溢流流表孔剖面图图坝址河谷狭狭窄，坝体渲渲泄设计洪水水时相应下游游河床宽度仅仅35m，按消能防防冲的设计标标准，虽然渲渲泄洪水时开开启5个表孔不致致冲刷岸坡，但但若采用普通通挑流消能工工，水舌在抛抛射过程中所所消耗的能量量不超过10%，大部分能能量要在下游游河床磨损中中消杀，势必必引起河床冲冲坑增大，且且由于消能水水体的旋辊和和拱坝泄洪时时水流径向集集中，水流仍仍不能安全归归槽，因此，如如何使水舌顺顺利归槽和减减轻下流冲刷刷以确保大坝坝安全和节省省投资是选择择消能工型式式的重要课题题。有关资料[[8]和模型试验[9]表明，大差差动齿坎挑流流消能工是拱拱坝在狭窄河河谷处一种新新型有效的消消能方式。大大差动齿坎挑挑流消能工具具有下列优点点：1）泄洪消消能效果良好好，由于齿槽槽对泄洪和消消能具有双重重作用，较一一般挑坎的泄泄流量增加，下下游河床冲刷刷改善，流态态均匀，水舌舌归槽良好；；2）沿河流流方向纵向拉拉开入水长度度，降低了水水舌入水时的的单宽流量，减减轻了下游冲冲刷；3）齿槽上上动水压力分分布良好，无无过大负压及及异常。鉴于以上三三点，本工程程采用大差齿齿坎挑流消能能工，并根据据模型试验成成果，确定消消能工有关参参数。其体型型是从溢流面面WES曲线与反弧弧曲线的切点点C开始，向下下游挖一深槽槽，槽底为一一直线，此直直线为WES曲线与反弧弧曲线在C点处的公切切线，槽底出出射角-38°442′34″，造成通过过鼻坎处出射射角的大幅度度差动，即最最大挑角13°25′53″，最小挑角-38°442′34″，形成齿坎坎，这样可有有效地将水舌舌的入水点纵纵向分散，水水舌沿河流方方向纵向拉开开，减少入水水水舌的单位位面积能量，达达到减轻下游游冲刷和促使使水流归槽的的目的，大齿齿动齿坎挑流流消能工的体体型参数如下下：齿宽：W==2.02mm槽宽：S==2.0m齿槽比：WW/S=1..01高坎挑角：：θ=13°225′53″低坎挑角：：α=-38°°42′34″高坎高程：：535.6623m低坎高程：：532.55m齿坎高度：：T=3.1123m泄洪中孔泄洪中孔布布置在右半拱拱，采用压力力短管型式，有有压段长度14.5m，纵坡1∶2.8出口断面尺尺寸3×4.00m，进口突出出坡面2.0m，底槛高程514.55m，进口顶缘缘曲线为圆弧弧，有压段进进口设检修门门槽，出口处处设弧形工作作门，弧门半半径Rj=7..5m，支铰中心心高程514.55m，工作门由由卷扬启闭机机操作，平均均检修门在坝坝顶设卷扬机机启闭机操作作。泄槽长度度13m，纵坡1∶2.8，为便于下下游消能，中中孔的消能型型式采用窄缝缝式挑流消能能，按模型试试验建议的体体型，泄槽在在离出口5.69m处开始急剧剧收缩，断面面由底宽由3.0m的矩形渐变变为底宽0.6m顶宽1.4m的梯形窄缝缝，形成收缩缩式挑坎，窄窄缝收缩式挑挑坎挑角为0°见图4。图4.中孔孔剖面图3.3泄流能能力表孔泄流能力力表孔的泄流流能力按自由由堰流的计算算公式Qb=mnnb(2g))1/2Ho3/2校核洪水位位547.338m时，表孔全全开提拱下泄泄流量2661mm3/s，单宽流量q=73..9m3/s.m；设计洪水水位545.44m时，表孔全全开提供下泄泄流量1821..4m3/