双曲薄拱坝的水垫塘设计

双曲薄拱坝的水垫塘设计

1采用高效冲淤式力坝坝底结构形式双曲薄拱水库通过水库底部的孔口排水，水流直接流入水库下游的河谷。这是一种常见的经济配置形式，但导致漏水对下游两岸和底部岩石的磨损。在拱坝坝不高或者泄洪量不大时,一般只是对坝下游靠近坝趾部位的基岩表面设置抗冲混凝土板,以保护下游坝基免于可能发生的基岩冲刷。我国早期修建的拱坝,如流溪河、欧阳海、石门等大多采用这种形式。自从20世纪60年代在非洲赞比西河上修建的高128m的卡里巴拱坝在建成几年后坝下游就发生严重的冲刷后(冲坑深度达50余米,坑的上游坡抵达坝趾基岩保护板,距下游坝面不足40m),这一问题才在设计高拱坝大枢纽时引起足够的重视。在二滩拱坝建设以前,我国修建的超过百米的拱坝中,多采用坝后厂房岸坡泻槽式泄洪方式将水流抛送到远离坝身的下游河床,如龙羊峡、东江、李家峡等。二滩拱坝坝高240m,通过坝体表孔、中孔的校核泄洪量16300m3/s,如果任其下泄到下游河床,模型试验及经验公式计算的冲坑深度达到了25m,将影响坝肩抗力岩体的稳定。为此在坝的下游修建了长330m的全混凝土衬护的水垫塘及高32m的混凝土二道坝。自1998年大坝开始下闸蓄水以来,经过多次过水考验,水垫塘运行情况良好。现在我国新设计的超过200m的拱坝中,如小湾、锦屏、拉西瓦、构皮滩等,都采用了这一形式,并为此更深入地进行了大量的试验研究工作。由于二滩拱坝水垫塘的成功运行,一些泄洪流量较大的高百米以上的拱坝也相继采用了这一坝后消能形式。2卡里巴和卡钢拱坝的水位问题全混凝土衬砌水垫塘的设计,虽然能比较有效地解决拱坝下游的冲刷问题,但其造价较高,一般约占坝体造价的10%左右,而且还要设置常年的检修、排水、抽水设施。有的拱坝甚至对两岸岸坡也从下到上层层锚固甚至全部用混凝土护坡,以防泄洪暴雨对岸坡的冲刷造成坠石落入水垫塘。这不仅初期投资较大,而且后期维护费用也比较大。因此,在国外类似工程采用全衬砌水垫塘的并不很多。水垫塘的造价高,主要在于塘周及底板、二道坝、两岸边坡的混凝土衬砌。因此深入研究是否需要设置水垫塘及水垫塘的经济、合理的形式颇有必要。我国现行的拱坝规范对于坝后的消能设施提出,在坝后消能区基岩坚硬完整,冲刷不影响两岸山体稳定,并有捡修条件时,可考虑简化防护措施甚至可以先冲后护。但是在我国现设计的坝高超过150m的采用坝身孔口大流量泄洪的双曲拱坝中,几乎没有不设混凝土衬护水垫塘的,而且采用的混凝土衬砌底板也较厚。在二滩拱坝设计时,由于它是我国建造的第一个特高拱坝大流量泄洪工程,没有经验,采用比较谨慎的指标是可以理解的。但是也有必要在二滩成功经验的基础上更进一步。对于坝后的消能设施,除了先冲后护外,还有预挖冲刷坑,修建二道坝抬高下游水位,并不一定要设置造价昂贵的混凝土衬砌水垫塘。从国外一些不设水垫塘的实例看,即使像高128m的卡里巴拱坝,从20世纪60年代至今,虽然下游冲刷坑深逾50m,也提出过采用混凝土消力戽方案,但未见具体实施。可能因为冲刷坑已基本稳定,并未对两岸及坝基稳定造成危险。高173m的卡拉卡亚重力拱坝,设计泄洪量17000m3/s,运行后对水舌入水区左岸角闪片页岩破碎带的岸坡,造成较严重的冲刷。后来进行了防护,因为只是对被冲刷处进行,所以其防护工程比修建全混凝土衬护的水垫塘要省得多。高171m的卡博拉巴萨双曲拱坝,主要用坝体深孔泄流,深孔的设计泄洪量13200m3/s。建成后即遭遇13100m3/s特大洪水,下游冲刷坑深度达30m,泄水只是向下深切河床,并未对两岸造成掏刷。我国高149.5m、设计泄洪量为10618m3/s的白山重力拱坝,采用坝身表孔挑流和中孔射流对撞消能,没有设混凝土衬护水垫塘或预挖冲刷坑,经过两次大洪水考验后,因为基岩坚硬,冲刷坑很小,也没有对两岸造成冲刷,只是由于冲刷坑很浅,水流溅射,对电站运行造成一些损害,现已结合左岸地下电站工程,新挖冲刷坑消能。对于高坝大泄流量工程,只要地质条件许可,措施适当,并不一定要设混凝土衬砌水垫塘。消能防冲的水垫塘为坝体附属建筑物,只要不危及坝体安全,是可以允许在超标洪水下破坏的,以后再进行修补。如坝体为一级建筑物,消能防冲建筑物当属三级建筑物,也就是百年洪水的设计标准。但是现在我国的所有的高拱坝设计中,多采用坝体校核洪水标准,有的还不考虑电站对洪水的分流量,这就显得过于谨慎了。虽然我国现在所设计的拱坝,坝高及泄洪量大都超过世界上其它国家所建的工程,但这并不能说就一定要采用全混凝土衬护的水垫塘。比较卡里巴拱坝及卡博拉巴萨拱坝,前者坝高只有128m,6个孔口总泄洪量8400m3/s,后者坝高171m,8个孔口总泄洪量约13100m3/s,两者基岩岩性相近(片麻岩),但是冲刷坑的深度卡里巴拱坝却要深得多。卡里巴拱坝为孔口自然跌流,水流向心,落水点单宽很大,坝高低也使水流难以充分渗气,对基岩的冲刷力难以削减。但是卡博拉巴萨拱坝,各孔均采用向上挑射形式,水流在空中能够充分对撞、分散、渗气,这就大大地减小了水流对基岩的冲刷力,所以泄洪量及坝高虽然比卡里巴拱坝大,冲刷坑反而要小许多。因为坝高越大,水流在空中停留时间长,空气对分散的水流阻力作用也就越大,利用水流在空中对撞、分散,渗气的条件反而更好,入水能量及冲刷力可以不与坝高成正比,例如高空坠雨并不比屋檐滴水的冲击力大。我国现在设计的拱坝坝身孔口泄流,在泄流孔口上作了许多开创性的工作。从白山拱坝开始,采用高、中孔散流对撞,大大减少了水流对河床的冲刷力。拉西瓦拱坝,不仅采用高、深孔对撞消能,而且各类孔口采用多种出口挑射形式,才能在比其它拱坝水垫塘远为高的消能率(拉西瓦为21kW/m3,而二滩等为15kW/m3以下)的情况下,使试验所得的校核洪水冲击动水压力ΔP仅为7×9.8kPa,远小于我国一些工程的ΔP<15×9.8kPa指标。所以拉西瓦拱坝水垫塘现在底板的设计厚度,已减薄为2.5～3.0m。在如此低的冲击动水压力情况下,采用无底不衬砌的水垫塘也是有可能的。如果比较一些采用底板衬砌的工程,可以看出它们的水垫深度与按经验公式算出的水垫深度已比较接近。3种新的水垫塘底材料自由冲刷坑水垫深度tk采用拱坝规范所列经验公式,tk=1.1×q0.5H0.25,单宽流量q按各工程溢流堰上水头计算。现将国内外拱坝工程跌流水垫塘参数统计结果列于表1。拱坝一般都选择在岩石良好的坚硬地带,现在水垫塘底的开挖高程大多与坝基高程相近,当属坚硬岩石。加之在孔口设计上都要充分考虑泄流分散措施,因此取经验公式中的水流分散系数为1.1。经验公式是经过多数工程统计结果得出的,有一定的代表性,如果没有特殊的地质情况(断层、局部节理裂隙密集带、软弱带),是应该有一定的准确度的。冲刷坑处基岩如果存在软弱带,冲刷坑四周及基底会有巨大的凹凸不平,使得水流冲撞凸出岩体。被冲击的岩块,又在水流作用下冲撞周边围岩,从而形式巨大的冲刷坑。卡里巴拱坝就是属于这种情况。表1数据显示现在水垫塘的水垫厚度,基本与自由冲刷坑水垫厚度相近。也就是说,现各拱坝所用的水垫厚度,如果不衬混凝土底板,其自由冲刷坑的深度不会大于水垫塘底板开挖深度太多。由于水垫塘的造价主要由混凝土衬砌底板构成,因此应研究不衬砌底板的可行性。先冲后护对大泄洪量的高坝,有一定的风险,而且在电站运行后再组织施工队伍入场,费用也高,不如采用预挖冲刷坑较为稳妥。如果采用预挖冲刷坑,坑的开挖形状宜与自然冲坑形状相近,呈锅底形或短匙形,并用光面爆破,以保证基岩面不会有大的起伏差;对局部软弱带加以混凝土置换或对基岩进行系统锚固;用二道坝抬高下游水位,使其能达到基本上不冲基岩的水垫厚度;保护好水垫塘周的水流波动区的两岸边坡。如能最大限度满足充分消能又达到基本不冲基岩的目的,水垫塘底不衬砌混凝土是有可能的(见图1)。无混凝土衬砌底板的水垫塘,不仅省去了大量的混凝土,而且还可以不设抽、排水设施,也不必担心两岸岸坡局部岩块塌入水垫塘砸坏及磨损混凝土底板。基岩的抗磨能力远高于高强混凝土,因此不必将塌入的岩块清除,这就大大节省了水垫塘以上的两岸岸坡防护以及后期的维护费用。如果还想节省,可以将二道坝改为过水堆石坝,利用预挖冲刷坑所开挖的石渣,在下游堆筑堆石坝达到抬高下游水位增加水垫厚度的目的。从许多自由冲刷坑消能的工程看出,在冲刷坑的下游都会有从冲刷坑中冲出的石块堆积所形成的二道过水堆石坝。其上游坝坡约为1∶(6～8),下游坝坡约为1∶10左右。如果用人工压实堆筑,可以选择大石块铺切在该堆石坝的上、下游表面甚至铺砌过水混凝土板,坝坡还可陡一些。现在水垫塘内开挖的石渣都作废物处理,由于不能就近堆放在电站下游的河床两岸,需要远运堆放,成本较高。如果就近堆在二道坝处筑成堆石坝,变废为用,就可省去混凝土的二道坝。由于堆石坝坝坡很缓,坝基会延伸很宽,有可能与地下电站尾水出口有矛盾,这就需要在总布置图上协调,并作经济比较。即使在实际冲刷坑有所加深的情况,只要作好水垫塘内水位波动区的两岸岸坡防护,限制冲刷坑向两岸扩展,使之不危及两岸坝后基岩抗力体即可。白山拱坝就在预计冲刷坑的边坡位置设计了两排锚筋桩,桩前还设计了一排预裂爆破面,但因基岩太硬,实际冲刷坑很浅,功用没有显示出。4局部不衬砌混凝土底板的渗压对一些冲刷坑部位基岩较差必须用混凝土衬砌底板的情况,也还是有节约空间的。现在多数工程所设计的混凝土底板,整个水垫塘都是一个厚度,但是实际上底板各处所受的动水冲击力和上举力是不一样的,只有在水舌冲击点往下,才是动水冲击力和上举力的最大部位。在水舌冲击点以上部位,动水冲击压力和上举力都很小(见图2),因此,这一部位的底板是可以减薄甚至部分取消的。某水垫塘长度由桩号55～240m,表、深孔泄洪量6000m3/s,水舌入水点在90～160m范围内。底板所承受的动水冲击最大压强和上举力都发生在水舌入水点以后,而入水点以前的动水冲击压强很小。从水工模型试验上也可看到,水舌入水点以上的水面波动很小。因此在水舌入水点以上减薄甚至取消底板都是可能的。在水垫塘的前部局部取消衬砌混凝土底板,更可以最有效地降低底板所承受的渗压,这对检修工况特别重要。现有的工程考虑水垫塘底板所受的渗压,都是连同整个坝的纵断面来考虑。即使在水垫塘前部设置排水廊道,其所受的渗压也相当于0.125H,如果坝高超过200m,渗压可达到25m水头,再加下游水位差,空塘时底板所受的渗压水头至少也在40m以上,超过动水冲击压力和上举力,造成底板厚度及锚筋量加大。如果水垫塘的靠坝趾部位局部不衬砌,渗透水将从此处自由渗出,在水垫塘检修时,此处的渗压为零,则水垫塘底板所受的渗压最多只是底板与下游水位差(见图3)。坝趾部位局部不衬砌底板,在检修时水垫塘内底板的渗压以靠近二道坝最大,与泄洪时的最大动水冲击压力及上举力位置相近。如果动水冲击压力或上举力ΔP=15×9.81kPa,相当于15m水头的压力,此值与