西冶水電站樞紐工程設計

衛(wèi)建文

（晉城市水利勘測設計院，山西 晉城 048000）

1 概況

西冶水電站位于陽城縣東南蟒河鎮(zhèn)石板村附近的西冶河干流上，是西冶河上游開發(fā)利用的控制性工程。水電站總庫容630萬m3，興利庫容190萬m3，調洪庫容258萬m3，工程年供水量536萬m3，裝機容量475 kW。

壩址區(qū)地質構造簡單，斷裂構造不發(fā)育，未發(fā)現斷層，為單斜巖層。壩址呈不對稱“U”形谷，壩基出露地層為奧陶下統(tǒng)冶里組第三巖組中厚層狀白云巖，巖性堅硬，巖溶發(fā)育較弱，主要為溶隙，局部為溶孔，工程地質條件較好，滿足漿砌石重力拱壩持力層要求。

2 拱壩設計

樞紐工程大壩為等外半徑單曲拱壩，壩頂高程750.20 m，溢流段頂部高程745.00 m，最大壩高為31.6 m。拱壩壩軸線長176.30 m，其中溢流段軸線長56.5 m，拱壩頂拱中心角105.28°、外弧半徑96 m。壩頂最大弦長152.5 m，壩頂寬4.5 m。溢流壩分為8孔，每孔凈寬6 m，堰面曲線采用圓弧曲線，下游接反弧段，并做挑流鼻坎，反弧半徑6 m，挑流鼻坎頂高程741.90 m，上游壩坡高程728.6 m以下為1∶0.42，以上為鉛直面；下游壩坡高程733.0 m以下為1∶0.48，以上為1∶0.26，高程723.6 m以下為1∶0.8，壩底最大寬度24.0 m。

2.1 壩頂厚度確定

以頂拱外弧作為拱壩軸線，采用砌石拱壩厚經驗公式：

Tc=0.4+0.01（L+3H） ，

式中：Tc——壩頂寬，m；

L——壩頂軸線弦長，m，取L=152.5；

H——最大壩高，m，取H=31.6。

經計算Tc=2.87，結合業(yè)主意見并考慮交通需要，取Tc=4.5。

2.2 壩底厚度確定

壩底厚度擬定根據《砌石壩設計》經驗公式:

Tb=[0.132（L/H）0.269+2H/1 000]×H，

其中Tb為壩底厚度，經計算得Tb=8.37 m。

由于壩體已于20世紀80年代砌筑至河床面，河床面壩體寬19 m，下游壩坡1∶0.8，建基面壩底厚度23 m，大于計算值，為利用已建壩體，本次設計壩底厚度在原設計厚度的基礎上，加1 m厚鋼筋混凝土防滲面板。

2.3 拱圈形式選擇

為充分利用已砌筑壩體，參照實測數據，以上游壩面為主，兼顧下游壩面，擬合選定拱壩圓心，砌石拱壩選用等外半徑單曲拱壩，根據壩頂、壩底厚度，結合壩體應力，確定拱壩設計尺寸，見表1：

3 壩體應力分析

3.1 計算方法

壩體應力分析采用《拱壩應力計算程序》，按拱冠梁法計算。沿高程 750.2 m，746 m，741 m，736 m，731 m，726 m，721 m，718.6 m共切取8個水平拱圈和拱冠處的梁，根據交點處徑向變位一致與扭轉變位一致求得拱、梁荷載分配和應力。

3.2 基本數據

壩頂高程750.2 m，正常蓄水位745.00 m，設計洪水位748.18 m，校核洪水位749.81 m，淤沙高程737.5 m，淤砂浮容重取 8.6 kN/m3，內摩擦角 11°，建基面高程718.6 m，壩頂厚度4.5 m，最大壩高31.6 m。壩體采用M7.5漿砌塊石砌筑，容重23 kN/m3，壩體彈性模量 7.5×103MPa，壩基彈性模量 1.0×104MPa，壩體線膨脹系數7×10-6/℃，年平均氣溫11.7℃，極端最高氣溫38.5℃，極端最低氣溫-17.2℃。

3.3 計算工況

靜力分析計算采用以下四種荷載組合：

基本荷載組合：正常水位水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋溫升；正常水位水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋溫降；設計水位水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋溫升。

特殊荷載組合：校核水位水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋溫升。

3.4 計算成果

經計算可知，拱壩最大壓應力一般產生在拱冠梁高程726 m處拱圈下游面，最大值為工況2的7.29 kg/cm2，最大拉應力一般產生在拱冠梁高程726 m處拱圈上游面，最大值為工況2的0.85 kg/cm2。各部位的應力分布與狀態(tài)都較均勻，滿足規(guī)范要求，說明該拱壩應力滿足強度要求。

4 壩肩穩(wěn)定分析

壩肩巖體的穩(wěn)定分析是拱壩設計的關鍵環(huán)節(jié)。針對實際情況，根據拱冠梁法計算的內力成果，對兩岸拱端進行穩(wěn)定分析，采用剛體極限平衡法進行抗滑穩(wěn)定分析。

根據《混凝土拱壩設計規(guī)范》，按抗剪公式進行抗滑穩(wěn)定分析：

式中：k——抗滑穩(wěn)定安全系數；

N——垂直于滑裂面的作用力，N；

f2——抗剪摩擦系數，取f2=0.6；

T——沿滑裂面的作用力，N。

對各種荷載組合下每一高程的左右拱端分別按四種工況計算安全系數。根據計算結果，最小抗滑穩(wěn)定安全系數為11.82，各結構面的穩(wěn)定安全系數滿足規(guī)范要求，說明整個壩是穩(wěn)定的。

5 重力副壩設計

由于壩址所在河谷不對稱，需在其較緩的左側山坡738.0 m高程至設計壩頂高程設置砌石重力式副壩擋水。

5.1 重力墩設計

根據應力計算結果，最危險的為工況4，相應各層拱端內力見表2。

表2 重力墩計算表

參照拱壩斷面，擬定重力墩橫斷面為：壩頂寬6.5 m，上下游均比拱壩斷面高1.0 m，上游壩面垂直下游面坡度1:0.7。對各層拱圈進行計算，抗滑穩(wěn)定安全系數取1.3，摩擦系數取0.6，計算得出重力墩沿拱端切線方向長度最小為27.0 m，由此確定重力墩長為27 m。

5.2 副壩設計

副壩壩軸線長84.4 m，其中樁號0+000～0-027為重力墩段；樁號0-027～0-032.2為圓弧轉彎段，轉彎半徑 5 m，轉角 60°；樁號 0-032.2～0-084.4為重力副壩段，壩頂高程750.20 m，壩頂寬4.5 m，上游壩面垂直，下游面坡度1∶0.7，用M7.5水泥砂漿砌塊石砌筑。

按抗剪公式對重力副壩進行抗滑穩(wěn)定分析，各工況副壩斷面最大抗滑穩(wěn)定安全系數分別為2.32，1.76，1.23，滿足規(guī)范規(guī)定，副壩滿足穩(wěn)定要求。