某水电站浆砌石拱坝设计

aaaa某水电站浆砌石拱坝设计作者：袁华摘要：某水电站挡水建筑物为浆砌石双曲拱坝，采用浆砌石坝体自身防渗的形式，泄水建筑物为坝顶泄洪表孔和坝身泄洪中孔，分别采用大差动齿坎和窄缝挑流消能工。模型试验和实际运行表明，其浆砌石拱坝体型、坝体防渗及泄水建筑物等设计中的一些经验，可供类似工程设计参考。关键词：浆砌石拱坝泄水建筑物设计某水电站1、 概述某水电站位于湖北省某县容美镇，座落在水支流芭蕉河上，是芭蕉河流域开发的第二级,坝址距某县城2.0km，坝址集水面积337.4km2,多年平均径流量4.55亿m3。大坝采用浆砌石二心双曲拱坝，最大坝高66.0m，水库总库容2428x104m3。大坝为3级建筑，相应的设计洪水重现期为50年，校核洪水重现期为500年。2、 浆砌石拱坝设计2.1坝址地形、地质条件坝址位于芭蕉河下游河段腰潭峡狭谷中部，河谷两岸山体雄厚，呈不对称的“V”型，左岸岸坡约60°,在550m高程以上为高约180m的陡崖，右岸岸坡40〜50。。河床宽约30m，正常蓄水位543.5m高程河谷宽度约105m,河谷宽高比1.9:1,具有修建拱坝的地形条件。坝址出露三迭系下统大冶组第2段（T03-2）灰色薄层微晶灰岩夹青灰色极薄层页岩。岩层走向与河流方向近于正交，倾向下游，倾角55°。坝址岩体岩性均一，薄层灰岩与极薄层页岩的互层结构，构成了水库及坝基（肩）的相对不透水岩组。坝址地质构造裂隙为主，沿裂隙面及层面岩溶轻度发育，局部较发育，但易于处理。坝址岩体强度较高，强性模量6〜8GPa，具备修建拱坝的地质条件。2.2拱坝体型设计某浆砌石拱坝设计在初步设计的基础上进行优化，优化的原则及思路为：连续性要求：坝体上、下游坝面是连续、光滑的曲面；施工要求：坝体结构尽量简单，坝体悬臂梁最大倒悬度不大于0.3：1;强度要求：控制施工质量、尽量提高砌体的抗压强度和抗拉强度，但坝体计算应力不超过规范控制值稳定要求：拱座抗滑稳定安全系数不小于现定值；经济性要求：在满足上述要求的基础上尽量减小坝体体积（即工程量最小）。根据上述原则并结合坝址具体地形、地质条件，拱坝在布置和体型选择上主要着重考虑河谷不对称，左岸岸坡较陡而右岸稍缓；同时,左岸岩体受裂隙影响较右岸严重，选择和确定拱坝体型时，针对左、右岸坝肩地形和地质条件的差异，对各高程拱圈左、右两半拱的曲率半径和中心角进行调整、试算和选择，确定拱坝在平面布置上采用二心圆拱，使左、右半拱的曲率半径和中心角均适应坝址的地形、地质条件，以使坝体应力和拱座稳定均有利。2.2.1拱坝体型设计坝顶厚度TC坝顶厚度按经验公式(2-1)[1]和美国垦务局经验公式[3](2-2)和初步选择Tc=0.4+0.01(L+3H) (2-1)0.01(H+2.4L) 0.01(H+2.4L)>TminTc=Tmin 0.01(H+2.4L)V>Tmin按上两式分别计算得坝顶厚度Tc=3.66m(2-1)和Tc=3.73m(2-2)，但坝顶最小厚度按交通要求定为Tmin=4.0m,即按式(2-2)取Tc=4.0m。坝底厚度TB坝底厚度按任德林公式[2](2-3)和式(2-4)[3]分别计算。T/H=0.132X(L/H)0.267+2H/1000(2-3)BTb=0.7xLH[q](2-4)L=(LB+LC)/2aaaa按（2-3）和（2-4）计算分别得出TB=19.1m和TB=16.9m，初步设计阶段拟定的TB=17.5m。技施设计时以初步设计拟定的TB=17.5m作为拱坝优化设计的计算初始值，通过调整拱圈平面布置B（曲率半径和中心角）、坝体倒悬度等参数，并进行应力分析和稳定计算，采用逐次逼近和试算的方法对拱坝体型进行优化，最终确定本工程浆砌石拱坝坝底厚度TB=15.5m，坝体厚高比TB/H=0.235。B B3）拱圈平面布置有关资料表明［3］、［4］,拱坝顶部拱圈趋向于采用较小的中心角,且一般在80。〜100。之间，坝体应力情况较好，同时可满足拱端推力指向两岸山体，对拱座稳定有利；底拱中心角受坝体倒悬度及布置的限制，常采用40。〜80。的中心角。某水电站浆砌石拱坝为适应两岸不对称的河谷地形，拱圈采用二心园弧的平面布置形式，如图1。图1.拱坝平面布置图经过逐次逼近和试算的优化方法，对各高程拱圈的曲率半径和中心角分左、右两个半拱进行调整，在坝体应力和拱座稳定满足规范[3]要求的前提下，确定顶拱中心角为86°,其中左半拱37.5°，右半拱48.5°，底拱中心角54°,左、右半拱均为27°；顶拱外半径左、右半拱分别为RUL=99.35m和RUR=99.47m,底拱外半径UL URRUB=44.13m。经计算，在约1/3坝高部位即505.5m高程附近,正常蓄水的运行条件下，拱圈产生最大拉应力和压应力，进行平面布置时，在满足连续性和坝体倒悬度要求的前提下，这一高程拱圈尽量采用较大的中心角，经调整和试算，确定505.5m高程拱圈中心角采用72°，其中左、右半拱分别为33°和39°，拱圈曲率外半径左半拱R=63.39m，右半拱R=65.94m。UL UR4）拱冠梁剖面拱冠梁上、下游坝面由三段圆弧组成，其中上游坝面切点A（高程505.5m）以上为一段（CA），切点以下为一段（AB）；下游坝面为一段（GF）,三段圆弧的曲线方程分别为：CA段：（x-82.185）2+（2-42.000）2=92.2952AB段：（x-71.690）2+（2-42.000）2=81.8002GF段：（x-91.555）2+（2-26.569）2=91.4972拱冠梁断面见图2：图2.拱冠梁剖面图由上述2）、3）、4）可得出浆砌石拱坝基本参数见表1。表1浆砌石拱坝基本参数表2.2.2浆砌石拱坝设计计算1）拱坝应力计算拱坝应力采用拱梁法进行计算,拱圈自溢流堰顶高程538.5m开始，计算时坝体沿坝高方向分10段，共计算11层拱圈（见图2）。aaaa荷载组合取用基本组合（正常蓄水+温降）和特殊组合（校核洪水+温升）两种组合方式，计算结果见表2。表2拱坝应力计算成果拱坝优化设计时调整体型参数和应力计算、稳定分析是一并进行且反复试算和选择的过程，优化的条件是坝体应力和拱座稳定必须满足规范规定要求[4],因此，表2所列应力值满足悬臂底部拉应力不大于1.5MPa，其它部位拉应力不大于1.4MPa，坝体压应力不大于3.6MPa的要求。2）拱座稳定分析坝址处裂隙具有倾角陡，分布稀的特点，其中J24为顺河的卸荷裂隙，距坝肩约20m,构成拱座岩体滑动的侧裂面，而J21〜J23与河流方向正交，构成拱座岩体的破裂面，起切割作用。由于坝址处未发现缓倾角的裂隙及其他构造面，经分析，拱座岩体滑动不存在明显的底裂面，为偏于安全计，分析时取底裂面为水平面，其抗剪断强度取与J24相同的参数：f'=0.6,c'=0.5MPao拱座岩体稳定分析采用刚体极限平衡法计算拱座岩体整体的抗滑稳定安全系数[4、5]o在侧裂面F1、底裂F2和破裂面F3的切割作用下，拱座承受拱端传来的荷载、岩块自重及渗透压力的作用，拱座岩体整体抗滑稳定安全系数KC:Kc=[fl' (R1-U1)+C1'Al+f2' (R2-U2)+C2'A2]/(S1+S2)(2_5)式(2-5)中，R1,R2——结构面Fl、F2上的法向力；fl，，f2,一一结构面Fl、F2上的抗剪断摩擦系数Cl，,C2,一一结构面Fl、F2上的抗剪断凝聚力强度Sl,S2——结构面Fl、F2上的切面力Al,A2——结构面Fl、F2的面积按式(2-5)经空间力系的分解、合成和坐标变换，计算出Kc值见表3,其中荷载组合与应力分析时相同。表3拱座抗滑稳定安全系数 f'=0.6,C'=0.5Mpa荷载组合左坝肩右坝肩基本组合Kc=5.64Kc=6.67特殊组合Kc=4.08Kc=5.49由表3可以看出，拱座岩体整体抗滑稳定安全系数均满足Kc>3的要求[3],但应指出的是表中安全系数Kc偏大的原因主要是左、右半拱采用了较小的中心角，同时拱端嵌固较深，利用岩体的体积较大，因此，为确保拱座岩体的抗滑稳定安全，对一定范围内拱座岩体进行保护处理是必要的。施工过程中，采用喷锚和护坡结合的方式对坝肩岩体进行了保护。aaaa2.3坝体结构和施工控制2.3.1拱坝坝体结构为便于坝体砌筑施工、浆砌石拱坝结构布置在满足强度和稳定要求的基础上尽量化。根据国内类似规模浆砌石坝的施工和运行经验[4][6],某水电站浆砌石拱坝不设防渗墙，坝体防渗主要靠自身砌筑材料和施工工艺、质量来保证，上、下游坝面采用厚约50cm的M10浆砌粗料石，并随着坝体砌筑上升的同时在上游坝面喷6〜8CM厚校作为坝面保护层，坝身采用C15细石砼砌块石。浆砌石拱坝不设纵、横缝，砌筑时分层从两岸向拱冠砌筑，层层封拱，整体上升，上、下两砌筑层之间封拱位置错开3〜4m。2.3.2坝体施工控制1）施工工艺文献[7]对浆砌石坝砌筑工艺作了一般规定，针对某水电站浆砌石拱坝的防渗特性和浆砌块石材料自身具有平缝抗压强度较齿缝高而抗剪强度较齿缝低的特点，在确定拱坝坝体砌筑方法时，设计上要求坝身砌筑的施工工艺为:块石必须沿拱坝半径方安放，竖向砌筑（块石的大面立起使之与坝轴线垂直），浆（砼）缝采用机械振捣并辅以人工敲击、钎插使之密实。为确保浆砌石坝体的防渗性能，坝体施工时，砌筑体每上升3〜5m,必须进行钻孔进行压水试验检查胶凝材料的密实性及坝体的渗透性。要求坝体的透水率q<3Lu,对q>3Lu的砌筑块，采取灌注水泥浆的补强措施进心进行处理。2）温度控制浆砌石坝体胶凝材料相对较少，单位体积水泥用量较砼坝低60〜70%，同时浆砌石材料本身具有砼放热块石吸热的热平衡特性,因此，浆砌石拱坝施工时的温度控制仅对上坝材料的温度和砌筑时段的气温作为限制，某水电站浆砌石拱坝坝体砌筑拟定的温度控制措施为：a、 本工程建设区年平均气温15.4C,对施工时气温在5〜15笆的时段，可不采取其他温控措施；b、 对于日平均气温低于5C的时段停止砌筑并对原有砌体采用薄膜、泡沫板、草袋等材料覆盖以保温防冻；c、 对日平均气温在15.4〜30C的时段，对块石和石子连续进行冷水浇淋，对砂采用凉棚遮盖并向棚内喷水，冷却用水可直接采用芭蕉河河水，其水温一般不超过15C;d、 对日平均气温超过30C的时段，停止砌筑并对原有砌体采取遮盖、洒水等降温措施。3、泄水建筑物设计3.1泄水建筑物型式布置方案某水电站坝址河谷狭窄，两岸岸坡陡峻，地形条件限制不宜布置岸边溢洪道；同时洪峰洪量达2408m3/s(P=0.2%),若采用隧洞泄洪无疑隧洞断面大，增加工程投资。设计时考虑采用坝体泄洪的方式。由于拱坝厚度较薄，不可能采用高大闸孔，只宜采用多孔小闸孔的型式，文献［4］第5.1.4条，“当由坝体泄洪时，宜先考虑表孔泄洪”。根据坝址处河谷地形，泄洪表孔布置在河床中部坝段上，以拱坝基准面为中心，在坝顶布置5孔泄洪表孔，溢流堰堰顶高程538.5m，单孔净宽7.2m。为便于水库分级放空和进水口检修以及辅助泄洪、施工期后期导流的需要，在右半拱靠近七眼泉公路部位设置泄洪中孔，中孔孔口尺寸3x4.0m，进口底部高程514.5m。3.2泄洪建筑结构型式3.2.1泄洪表孔泄洪表孔单孔孔口尺寸7.2x9.0m，堰顶高程538.5m，采用开敞式的实用堰，溢流面WES曲线方程y=X1.85/7.5,曲线在切点C(3.9916,1.72641)下游分别与半径R=5.0m的圆弧和坡度为1:0.8的直线相衔接，形成差动齿坎。溢流堰堰面头部为椭圆曲线，堰头悬出上游堰面顶点1.425m,溢流曲线水平投影长度10.754m。堰顶设7.2x5.0m的平均钢闸门作为工作门，考虑到表孔每年都有超过2个月的时间其上游水位低于堰顶高程538.5m,因此工作门有足够的检修和维护时间，无须再设检修门，工作闸门采用卷扬启闭机控制，见图3。aaaa图3.溢流表孔剖面图坝址河谷狭窄，坝体渲泄设计洪水时相应下游河床宽度仅35m,按消能防冲的设计标准，虽然渲泄洪水时开启5个表孔不致冲刷岸坡，但若采用普通挑流消能工，水舌在抛射过程中所消耗的能量不超过10%，大部分能量要在下游河床磨损中消杀，势必引起河床冲坑增大，且由于消能水体的旋辊和拱坝泄洪时水流径向集中，水流仍不能安全归槽，因此，如何使水舌顺利归槽和减轻下流冲刷以确保大坝安全和节省投资是选择消能工型式的重要课题。有关资料［8］和模型试验［9］表明，大差动齿坎挑流消能工是拱坝在狭窄河谷处一种新型有效的消能方式。大差动齿坎挑流消能工具有下列优点：1） 泄洪消能效果良好，由于齿槽对泄洪和消能具有双重作用，较一般挑坎的泄流量增加，下游河床冲刷改善，流态均匀，水舌归槽良好；2） 沿河流方向纵向拉开入水长度，降低了水舌入水时的单宽流量，减轻了下游冲刷；3） 齿槽上动水压力分布良好，无过大负压及异常。鉴于以上三点，本工程采用大差齿坎挑流消能工，并根据模型试验成果，确定消能工有关参数。其体型是从溢流面WES曲线与反弧曲线的切点C开始，向下游挖一深槽,槽底为一直线，此直线为WES曲线与反弧曲线在C点处的公切线，槽底出射角-38。42'34〃，造成通过鼻坎处出射角的大幅度差动，即最大挑角13。25,53〃，最小挑角-38。42,34〃，形成齿坎，这样可有效地将水舌的入水点纵向分散，水舌沿河流方向纵向拉开，减少入水水舌的单位面积能量,达到减轻下游冲刷和促使水流归槽的目的，大齿动齿坎挑流消能工的体型参数如下：齿宽：W=2.02m槽宽：S=2.0m齿槽比：W/S=1.01高坎挑角:9=13°25，53〃低坎挑角：。=-38°42,34〃高坎高程：535.623m低坎高程：532.5m

齿坎高度：T=3.123m3.2.2泄洪中孔泄洪中孔布置在右半拱，采用压力短管型式，有压段长度14.5m,纵坡1:2.8出口断面尺寸3x4.0m，进口突出坡面2.Om,底槛高程514.5m,进口顶缘曲线为圆弧，有压段进口设检修门槽，出口处设弧形工作门，弧门半径Rj=7.5m,支钗中心高程514.5m,工作门由卷扬启闭机操作，平均检修门在坝顶设卷扬机启闭机操作o泄槽长度13m,纵坡1:2.8,为便于下游消能，中孔的消能型式采用窄缝式挑流消能，按模型试验建议的体型，泄槽在离出口5.69m处开始急剧收缩，断面由底宽由3.0m的矩形渐变为底宽0.6m顶宽1.4m的梯形窄缝，形成收缩式挑坎，窄缝收缩式挑坎挑角为0°见图4O图4.中孔剖面图3.3泄流能力aaaa3.3.1表孔泄流能力表孔的泄流能力按自由堰流的计算公式Q=mnb(2g)i/2Ho3/2b校核洪水位547.38m时，表孔全开提拱下泄流量2661m3/s,单宽流量q=73.9m3/s.m;设计洪水位545.4m时，表孔全开提供下泄流量1821.4m3/s，单宽流量q=37.9m3/s.m。模型实验资料表明[9],采用大差动齿坎，表孔流量系数(计入侧收缩影响)可达0.4849,下泄流量较一般自曲堰流公式计算值将有提高，设计拟定的表孔溢洪道尺寸能满足渲泄洪水的要求。3.3.2中孔泄流能力中孔底部高程514.5m，泄洪流态为孔流，其泄流能力按哈氏公式计算：Q=s^bh[2g(H-shk)]1/2k k试验表明即=0.85,由此计算，库水位547.38m时，中孔提供下泄流量222.5m3/s,孔口流速18.5m3/s;库水位545.4m时，中孔提供下泄流量214.3m3/s,孔口流速17.8m3/s。3.4水工模型试验