某水電站漿砌石拱壩設(shè)計

1、某水電站漿砌石拱壩設(shè)計 作者：袁華閱讀：1342 次上傳時間：2006-06-02推薦人：datou1978 (已傳論文 1 套)簡介： 某水電站擋水建筑物為漿砌石雙曲拱壩，采用漿砌石壩體自身防滲的形式，泄水建筑物為壩頂泄洪表孔和壩身泄洪中孔，分別采用大差動齒坎和窄縫挑流消能工。模型試驗和實際運行表明，其漿砌石拱壩體型、壩體防滲及泄水建筑物等設(shè)計中的一些經(jīng)驗，可供類似工程設(shè)計參考。關(guān)鍵字：漿砌石拱壩 泄水建筑物 設(shè)計 某水電站 1、概述某水電站位于湖北省某縣容美鎮(zhèn)，座落在 水支流芭蕉河上，是芭蕉河流域開發(fā)的第二級,壩址距某縣城2.0km,壩址集水面積337.4km2，多年平均徑流量4.55億m

2、3。大壩采用漿砌石二心雙曲拱壩，最大壩高66.0m，水庫總庫容2428×104m3。大壩為3級建筑，相應(yīng)的設(shè)計洪水重現(xiàn)期為50年，校核洪水重現(xiàn)期為500年。2、漿砌石拱壩設(shè)計2.1 壩址地形、地質(zhì)條件壩址位于芭蕉河下游河段腰潭峽狹谷中部，河谷兩岸山體雄厚，呈不對稱的“V”型，左岸岸坡約60°，在550m高程以上為高約180m的陡崖，右岸岸坡4050°。河床寬約30m，正常蓄水位543.5m高程河谷寬度約105m，河谷寬高比1.9：1，具有修建拱壩的地形條件。壩址出露三迭系下統(tǒng)大冶組第2段（T1d3-2）灰色薄層微晶灰?guī)r夾青灰色極薄層頁巖。巖層走向與河流方向近于正交

3、，傾向下游，傾角55°。壩址巖體巖性均一，薄層灰?guī)r與極薄層頁巖的互層結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了水庫及壩基（肩）的相對不透水巖組。壩址地質(zhì)構(gòu)造裂隙為主，沿裂隙面及層面巖溶輕度發(fā)育，局部較發(fā)育，但易于處理。壩址巖體強度較高，強性模量68GPa,具備修建拱壩的地質(zhì)條件。2.2 拱壩體型設(shè)計某漿砌石拱壩設(shè)計在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，優(yōu)化的原則及思路為：a.連續(xù)性要求：壩體上、下游壩面是連續(xù)、光滑的曲面；b.施工要求：壩體結(jié)構(gòu)盡量簡單，壩體懸臂梁最大倒懸度不大于0.31；c.強度要求：控制施工質(zhì)量、盡量提高砌體的抗壓強度和抗拉強度，但壩體計算應(yīng)力不超過規(guī)范控制值d.穩(wěn)定要求：拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于現(xiàn)定

4、值；e.經(jīng)濟性要求：在滿足上述要求的基礎(chǔ)上盡量減小壩體體積（即工程量最小）。根據(jù)上述原則并結(jié)合壩址具體地形、地質(zhì)條件，拱壩在布置和體型選擇上主要著重考慮河谷不對稱，左岸岸坡較陡而右岸稍緩；同時，左岸巖體受裂隙影響較右岸嚴(yán)重，選擇和確定拱壩體型時，針對左、右岸壩肩地形和地質(zhì)條件的差異，對各高程拱圈左、右兩半拱的曲率半徑和中心角進行調(diào)整、試算和選擇，確定拱壩在平面布置上采用二心圓拱，使左、右半拱的曲率半徑和中心角均適應(yīng)壩址的地形、地質(zhì)條件，以使壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定均有利。 拱壩體型設(shè)計1）壩頂厚度TC壩頂厚度按經(jīng)驗公式（2-1）1和美國墾務(wù)局經(jīng)驗公式3（2-2）和初步選擇Tc=0.4+0.01(L+

5、3H)(2-1)0.01（H+2.4L）0.01（H+2.4L）TminTc=Tmin0.01（H+2.4L）Tmin按上兩式分別計算得壩頂厚度Tc=3.66m（2-1）和Tc=3.73m（2-2），但壩頂最小厚度按交通要求定為Tmin=4.0m，即按式（2-2）取Tc=4.0m。2）壩底厚度TB壩底厚度按任德林公式2（2-3）和式（2-4）3分別計算。TB/H=0.132×（L/H）0.267+2H/1000(2-3)TB =0.7×LH(2-4)L=(LB+LC)/2按(2-3)和（2-4）計算分別得出TB=19.1m和TB=16.9m，初步設(shè)計階段擬定的TB=17.5

6、m。技施設(shè)計時以初步設(shè)計擬定的TB=17.5m作為拱壩優(yōu)化設(shè)計的計算初始值，通過調(diào)整拱圈平面布置（曲率半徑和中心角）、壩體倒懸度等參數(shù)，并進行應(yīng)力分析和穩(wěn)定計算，采用逐次逼近和試算的方法對拱壩體型進行優(yōu)化，最終確定本工程漿砌石拱壩壩底厚度TB=15.5m，壩體厚高比TB/H=0.235。3）拱圈平面布置有關(guān)資料表明3、4，拱壩頂部拱圈趨向于采用較小的中心角，且一般在80°100°之間，壩體應(yīng)力情況較好，同時可滿足拱端推力指向兩岸山體，對拱座穩(wěn)定有利；底拱中心角受壩體倒懸度及布置的限制，常采用40°80°的中心角。某水電站漿砌石拱壩為適應(yīng)兩岸不對稱的河谷地

7、形，拱圈采用二心園弧的平面布置形式，如圖1。圖1.拱壩平面布置圖經(jīng)過逐次逼近和試算的優(yōu)化方法，對各高程拱圈的曲率半徑和中心角分左、右兩個半拱進行調(diào)整，在壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定滿足規(guī)范3要求的前提下，確定頂拱中心角為86°，其中左半拱37.5°，右半拱48.5°，底拱中心角54°，左、右半拱均為27°；頂拱外半徑左、右半拱分別為RUL=99.35m和RUR=99.47m，底拱外半徑RUB=44.13m。經(jīng)計算，在約1/3壩高部位即505.5m高程附近，正常蓄水的運行條件下，拱圈產(chǎn)生最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，進行平面布置時，在滿足連續(xù)性和壩體倒懸度要求的前提

8、下，這一高程拱圈盡量采用較大的中心角，經(jīng)調(diào)整和試算，確定505.5m高程拱圈中心角采用72°,其中左、右半拱分別為33°和39°，拱圈曲率外半徑左半拱RUL=63.39m，右半拱RUR=65.94m。4）拱冠梁剖面拱冠梁上、下游壩面由三段圓弧組成，其中上游壩面切點A（高程505.5m）以上為一段（CA），切點以下為一段（AB）；下游壩面為一段（GF），三段圓弧的曲線方程分別為：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

9、)2=91.4972拱冠梁斷面見圖2：圖2.拱冠梁剖面圖由上述2）、3）、4）可得出漿砌石拱壩基本參數(shù)見表1。表1漿砌石拱壩基本參數(shù)表 漿砌石拱壩設(shè)計計算1）拱壩應(yīng)力計算拱壩應(yīng)力采用拱梁法進行計算，拱圈自溢流堰頂高程538.5m開始，計算時壩體沿壩高方向分10段，共計算11層拱圈（見圖2）。荷載組合取用基本組合（正常蓄水+溫降）和特殊組合（校核洪水+溫升）兩種組合方式，計算結(jié)果見表2。表2拱壩應(yīng)力計算成果拱壩優(yōu)化設(shè)計時調(diào)整體型參數(shù)和應(yīng)力計算、穩(wěn)定分析是一并進行且反復(fù)試算和選擇的過程，優(yōu)化的條件是壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定必須滿足規(guī)范規(guī)定要求4，因此，表2所列應(yīng)力值滿足懸臂底部拉應(yīng)力不大于1.5MPa

10、，其它部位拉應(yīng)力不大于1.4MPa ，壩體壓應(yīng)力不大于3.6MPa的要求。2）拱座穩(wěn)定分析壩址處裂隙具有傾角陡，分布稀的特點，其中J24為順河的卸荷裂隙，距壩肩約20m，構(gòu)成拱座巖體滑動的側(cè)裂面，而J21J23與河流方向正交，構(gòu)成拱座巖體的破裂面，起切割作用。由于壩址處未發(fā)現(xiàn)緩傾角的裂隙及其他構(gòu)造面，經(jīng)分析，拱座巖體滑動不存在明顯的底裂面，為偏于安全計，分析時取底裂面為水平面，其抗剪斷強度取與J24相同的參數(shù)：f=0.6,c=0.5MPa。拱座巖體穩(wěn)定分析采用剛體極限平衡法計算拱座巖體整體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)4、5。在側(cè)裂面F1、底裂F2和破裂面F3的切割作用下，拱座承受拱端傳來的荷載、巖塊自重

11、及滲透壓力的作用，拱座巖體整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KC:Kc=f1(R1-U1)+C1A1+f2(R2-U2)+C2A2/(S1+S2)(2-5)式（2-5）中，R1，R2結(jié)構(gòu)面F1、F2上的法向力；f1,f2結(jié)構(gòu)面F1、F2上的抗剪斷摩擦系數(shù)C1，C2結(jié)構(gòu)面F1、F2上的抗剪斷凝聚力強度S1，S2結(jié)構(gòu)面F1、F2上的切面力A1，A2結(jié)構(gòu)面F1、F2的面積按式（2-5）經(jīng)空間力系的分解、合成和坐標(biāo)變換，計算出Kc值見表3，其中荷載組合與應(yīng)力分析時相同。表3拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)f=0.6,C=0.5Mpa荷載組合左壩肩右壩肩基本組合Kc=5.64Kc=6.67特殊組合Kc=4.08Kc=5.49由表

12、3可以看出，拱座巖體整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足Kc3的要求3，但應(yīng)指出的是表中安全系數(shù)Kc偏大的原因主要是左、右半拱采用了較小的中心角，同時拱端嵌固較深，利用巖體的體積較大，因此，為確保拱座巖體的抗滑穩(wěn)定安全，對一定范圍內(nèi)拱座巖體進行保護處理是必要的。施工過程中，采用噴錨和護坡結(jié)合的方式對壩肩巖體進行了保護。2.3 壩體結(jié)構(gòu)和施工控制 拱壩壩體結(jié)構(gòu)為便于壩體砌筑施工、漿砌石拱壩結(jié)構(gòu)布置在滿足強度和穩(wěn)定要求的基礎(chǔ)上盡量化。根據(jù)國內(nèi)類似規(guī)模漿砌石壩的施工和運行經(jīng)驗46，某水電站漿砌石拱壩不設(shè)防滲墻，壩體防滲主要靠自身砌筑材料和施工工藝、質(zhì)量來保證，上、下游壩面采用厚約50cm的M10漿砌粗料石，并

13、隨著壩體砌筑上升的同時在上游壩面噴68CM厚砼作為壩面保護層，壩身采用C15細石砼砌塊石。漿砌石拱壩不設(shè)縱、橫縫，砌筑時分層從兩岸向拱冠砌筑，層層封拱，整體上升，上、下兩砌筑層之間封拱位置錯開34m。 壩體施工控制1）施工工藝文獻7對漿砌石壩砌筑工藝作了一般規(guī)定，針對某水電站漿砌石拱壩的防滲特性和漿砌塊石材料自身具有平縫抗壓強度較齒縫高而抗剪強度較齒縫低的特點，在確定拱壩壩體砌筑方法時，設(shè)計上要求壩身砌筑的施工工藝為：塊石必須沿拱壩半徑方安放，豎向砌筑（塊石的大面立起使之與壩軸線垂直），漿（砼）縫采用機械振搗并輔以人工敲擊、釬插使之密實。為確保漿砌石壩體的防滲性能，壩體施工時，砌筑體每上升35

14、m，必須進行鉆孔進行壓水試驗檢查膠凝材料的密實性及壩體的滲透性。要求壩體的透水率q3Lu，對q3Lu的砌筑塊，采取灌注水泥漿的補強措施進心進行處理。2）溫度控制漿砌石壩體膠凝材料相對較少，單位體積水泥用量較砼壩低6070%，同時漿砌石材料本身具有砼放熱塊石吸熱的熱平衡特性，因此，漿砌石拱壩施工時的溫度控制僅對上壩材料的溫度和砌筑時段的氣溫作為限制，某水電站漿砌石拱壩壩體砌筑擬定的溫度控制措施為：a、本工程建設(shè)區(qū)年平均氣溫15.4，對施工時氣溫在515的時段，可不采取其他溫控措施；b、對于日平均氣溫低于5的時段停止砌筑并對原有砌體采用薄膜、泡沫板、草袋等材料覆蓋以保溫防凍；c、對日平均氣溫在15

15、.430的時段，對塊石和石子連續(xù)進行冷水澆淋，對砂采用涼棚遮蓋并向棚內(nèi)噴水，冷卻用水可直接采用芭蕉河河水，其水溫一般不超過15；d、對日平均氣溫超過30的時段，停止砌筑并對原有砌體采取遮蓋、灑水等降溫措施。3、泄水建筑物設(shè)計3.1 泄水建筑物型式布置方案某水電站壩址河谷狹窄，兩岸岸坡陡峻，地形條件限制不宜布置岸邊溢洪道；同時洪峰洪量達2408m3/s(P=0.2%)，若采用隧洞泄洪無疑隧洞斷面大，增加工程投資。設(shè)計時考慮采用壩體泄洪的方式。1）由于拱壩厚度較薄，不可能采用高大閘孔，只宜采用多孔小閘孔的型式，文獻4第條，“當(dāng)由壩體泄洪時，宜先考慮表孔泄洪”。根據(jù)壩址處河谷地形，泄洪表孔布置在河床

16、中部壩段上，以拱壩基準(zhǔn)面為中心，在壩頂布置5孔泄洪表孔，溢流堰堰頂高程538.5m，單孔凈寬7.2m。2）為便于水庫分級放空和進水口檢修以及輔助泄洪、施工期后期導(dǎo)流的需要，在右半拱靠近七眼泉公路部位設(shè)置泄洪中孔，中孔孔口尺寸3×4.0m，進口底部高程514.5m。3.2 泄洪建筑結(jié)構(gòu)型式 泄洪表孔泄洪表孔單孔孔口尺寸7.2×9.0m，堰頂高程538.5m，采用開敞式的實用堰，溢流面WES曲線方程y=x1.85/7.5，曲線在切點C（3.9916,1.72641）下游分別與半徑R=5.0m的圓弧和坡度為10.8的直線相銜接，形成差動齒坎。溢流堰堰面頭部為橢圓曲線，堰頭懸出上游

17、堰面頂點1.425m，溢流曲線水平投影長度10.754m。堰頂設(shè)7.2×5.0m的平均鋼閘門作為工作門，考慮到表孔每年都有超過2個月的時間其上游水位低于堰頂高程538.5m，因此工作門有足夠的檢修和維護時間，無須再設(shè)檢修門，工作閘門采用卷揚啟閉機控制，見圖3。圖3.溢流表孔剖面圖壩址河谷狹窄，壩體渲泄設(shè)計洪水時相應(yīng)下游河床寬度僅35m，按消能防沖的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，雖然渲泄洪水時開啟5個表孔不致沖刷岸坡，但若采用普通挑流消能工，水舌在拋射過程中所消耗的能量不超過10%，大部分能量要在下游河床磨損中消殺，勢必引起河床沖坑增大，且由于消能水體的旋輥和拱壩泄洪時水流徑向集中，水流仍不能安全歸槽，因

18、此，如何使水舌順利歸槽和減輕下流沖刷以確保大壩安全和節(jié)省投資是選擇消能工型式的重要課題。有關(guān)資料8和模型試驗9表明，大差動齒坎挑流消能工是拱壩在狹窄河谷處一種新型有效的消能方式。大差動齒坎挑流消能工具有下列優(yōu)點：1）泄洪消能效果良好，由于齒槽對泄洪和消能具有雙重作用，較一般挑坎的泄流量增加，下游河床沖刷改善，流態(tài)均勻，水舌歸槽良好；2）沿河流方向縱向拉開入水長度，降低了水舌入水時的單寬流量，減輕了下游沖刷；3）齒槽上動水壓力分布良好，無過大負壓及異常。鑒于以上三點，本工程采用大差齒坎挑流消能工，并根據(jù)模型試驗成果，確定消能工有關(guān)參數(shù)。其體型是從溢流面WES曲線與反弧曲線的切點C開始，向下游挖一

19、深槽，槽底為一直線，此直線為WES曲線與反弧曲線在C點處的公切線，槽底出射角-38°42 34，造成通過鼻坎處出射角的大幅度差動，即最大挑角13°2553，最小挑角-38°4234，形成齒坎，這樣可有效地將水舌的入水點縱向分散，水舌沿河流方向縱向拉開，減少入水水舌的單位面積能量，達到減輕下游沖刷和促使水流歸槽的目的，大齒動齒坎挑流消能工的體型參數(shù)如下：齒寬：W=2.02m槽寬：S=2.0m齒槽比：W/S=1.01高坎挑角：=13°2553低坎挑角：=-38°4234高坎高程：535.623m低坎高程：532.5m齒坎高度：T=3.123m 泄洪

20、中孔泄洪中孔布置在右半拱，采用壓力短管型式，有壓段長度14.5m，縱坡12.8出口斷面尺寸3×4.0m，進口突出坡面2.0m，底檻高程514.5m，進口頂緣曲線為圓弧，有壓段進口設(shè)檢修門槽，出口處設(shè)弧形工作門，弧門半徑Rj=7.5m，支鉸中心高程514.5m，工作門由卷揚啟閉機操作，平均檢修門在壩頂設(shè)卷揚機啟閉機操作。泄槽長度13m，縱坡12.8，為便于下游消能，中孔的消能型式采用窄縫式挑流消能，按模型試驗建議的體型，泄槽在離出口5.69m處開始急劇收縮，斷面由底寬由3.0m的矩形漸變?yōu)榈讓?.6m頂寬1.4m的梯形窄縫，形成收縮式挑坎，窄縫收縮式挑坎挑角為0°見圖4。圖4.中孔剖面圖3.3 泄流能力 表孔泄流能力表孔的泄流能力按自由堰流的計算公式Qb=mnb(2g)1/2Ho3/2校核洪水位547.38m時，表孔全開提拱下泄流量2661m3/s，單寬流量q=73.9m3