東坑嶺電站水庫拱壩未完成封拱灌漿情況的度汛安全分析

張建平，朱友聰

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江杭州 310002;2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州 311231)

1 問題提出

根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282-2003)9.2.5條規(guī)定，“拱壩橫縫和縱縫必須進(jìn)行接縫灌漿.灌漿時(shí)壩體溫度應(yīng)降到設(shè)計(jì)規(guī)定值.縫兩側(cè)壩體混凝土齡期，在采取有效措施后，不宜小于4個(gè)月.灌漿漿液結(jié)石達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度后，壩體方能擋水受力.”［1］也就是說，拱壩壩體必須經(jīng)過封拱灌漿，且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，水庫才能蓄水.另外，該條規(guī)范還規(guī)定，拱壩橫縫尚未灌漿而需要臨時(shí)攔洪時(shí)，必須專門論證.

浙江省文成縣東坑嶺水電站大壩壩體灌漿分4區(qū)，設(shè)計(jì)封拱溫度為12℃ ～14℃，安排在1～3月份進(jìn)行.壩體的現(xiàn)狀是1、2、3分區(qū)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)已進(jìn)行封拱灌漿，第4分區(qū)由于混凝土齡期未達(dá)到設(shè)計(jì)要求未進(jìn)行封拱，隨后又由于氣溫升高，汛期來臨，封拱溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，只能將第四分區(qū)的封拱時(shí)間安排在該年冬季進(jìn)行.由于汛期將至，該水庫為壩頂自由泄洪外加一Φ600的放水管，無其它洪泄設(shè)備，綜合各方面的實(shí)際情況，要求在該年汛期期間進(jìn)行蓄水臨時(shí)度汛.

目前國內(nèi)拱壩中出現(xiàn)壩頂豎向裂縫比較常見，對(duì)這種裂縫，只要重視監(jiān)控檢查，掌握其變化規(guī)律，可以適時(shí)修補(bǔ)，繼續(xù)運(yùn)用.而本工程的第4灌區(qū)未進(jìn)行灌漿與該種裂縫相類似，因此也可以說在此種情況下確保臨時(shí)蓄水度汛安全具有一定的指導(dǎo)意義［2-3］.

2 工程概況

該水電站大壩壩址位于浙江省飛云江流域支流玉泉溪上游.壩址以上控制集水面積6.90 km2，水庫總庫容111.91 萬 m3，水庫正常庫容92.02 萬 m3，電站裝機(jī)容量2×2 500 kW.

攔河大壩采用混合線型雙曲混凝土拱壩，壩體材料為C15、S6混凝土.壩頂高程606.2 m，壩底高程565 m，最大壩高41.2 m.拱冠梁頂厚1.96 m，拱冠梁底厚7.44 m，厚高比0.181，壩頂中心弧線長113.8 m.

水庫泄洪采用壩頂表孔溢流，最大泄流量267.6 m3/s.溢流段凈寬 24.0 m，堰面采用 WES 型曲線，堰頂高程603.0 m，不設(shè)閘門.壩后消能采用挑流消能，表孔反弧半徑6.0 m，挑流鼻坎高程600.586 m.

大壩共設(shè)7個(gè)壩段，其中3、4、5三壩段為溢流壩段，段長16 m.壩段間進(jìn)行封拱灌漿.壩體灌漿分四區(qū)進(jìn)行:其中高程565～569 m為第1分區(qū)，569～580 m為第2分區(qū)，580～592 m為第3分區(qū)，592～壩頂為第4分區(qū)大壩施工導(dǎo)流設(shè)施為Φ1 800的鋼管，位于大壩中心處.

發(fā)電隧洞進(jìn)水口布置在右岸，進(jìn)口段中心處高程為582.80 m，采用DN1400的壓力鋼和主隧洞相連，在頭部隧洞頂部到岸坡混凝土之間設(shè)一根DN500通氣管，工作閘門為一扇1.4 m×1.4 m的方形插板門，閘門外緣設(shè)攔污柵，啟閉機(jī)地面高程為606.45 m，內(nèi)設(shè)一臺(tái)DS30T螺桿式啟閉機(jī).

3 水庫初期蓄水渡汛方案

3.1 水庫放空能力計(jì)算

水庫放空設(shè)施為埋在壩內(nèi)的放水孔，必要時(shí)發(fā)電輸水隧洞(進(jìn)口中心582.80 m高程，過機(jī)流量2 ×0.781 m3/s)亦可放水.

放水(沖砂)孔中心高程575.0 m，管徑Φ600.末端設(shè)Φ600錐形工作閥門為常閉.

錐形閥流量按下式計(jì)算:

式中:μ—流量系數(shù)，全開時(shí)取0.75 ～0.82;

A—閥門過水?dāng)嗝娣e，本閥門A=0.283 m2;

ho—水頭，m.

庫區(qū)天然來水量依據(jù)壩址逐日平均流量的年平均值取0.53 m3/s，錐形閥按100%開度計(jì)算.放空時(shí)分別按工況I即放水孔與隧洞同時(shí)放水，工況Ⅱ即放水孔單獨(dú)放水二種工況.正常水位的相應(yīng)放空時(shí)間，見表1.

表1 各特征水位相應(yīng)放空時(shí)間表

3.2 臨時(shí)度汛方案

由于目前大壩第4區(qū)封拱灌漿未完成，水庫初期蓄水渡汛必需控制運(yùn)用，方案如下:

(1)初期(今年)蓄水控制水位為585.00 m(即死水位);

(2)當(dāng)庫水位超過585.00 m時(shí)，即打開放水管閥門(全開)，同時(shí)水電站二臺(tái)機(jī)組盡量滿負(fù)荷發(fā)電，以降低庫水位;

(3)當(dāng)遇暴雨時(shí)，水庫控制水位585.00 m即為起調(diào)水位，此時(shí)不同頻率洪水經(jīng)水庫調(diào)洪后的可能最高水位見表2.

表2 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

由表2知，當(dāng)放水管加發(fā)電洞開啟后，3年一遇洪水時(shí)，最高水位為598.77 m，20年一遇洪水位為604.71 m.

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

拱壩體型參數(shù)見表3.

表3 拱壩體型參數(shù)表

正常蓄水位603 m，設(shè)計(jì)洪水位605.60 m，校核洪水位606.20 m.溢流頭頂高程603.0 m，溢流段總凈寬24 m.發(fā)電死水位584.0 m，淤沙高程581.0 m.淤沙浮容重10 kN/m3，淤沙內(nèi)磨擦角18°.基巖彈模1.5 ×104MPa，泊桑比 0.21.壩體材料彈模 1.8 ×104MPa，泊桑比 0.17，容重 24 kN/m3，線膨脹系數(shù)1 ×10-5/℃，導(dǎo)溫系數(shù)3 m2/月.

年平均氣溫+日照影響為18℃，年氣溫溫降變幅+日照影響為10℃，年氣溫溫升變幅+日照影響為10℃，庫水表面年平均水溫+日照影響為19℃，庫水表面年水溫溫降變幅 +日照影響為10℃，庫水表面年水溫溫升變幅 +日照影響為10℃，庫底水溫為10℃.

4.2 設(shè)計(jì)工況

壩體灌漿分4區(qū)進(jìn)行:其中高程565～569 m為第1分區(qū)，569～580 m為第2分區(qū)，580～592 m為第3分區(qū)，592～壩頂為第4分區(qū).壩體的現(xiàn)狀是1、2、3分區(qū)已進(jìn)行封拱灌漿，封拱溫度為12～14度，第4分區(qū)由于混凝土齡期未達(dá)到設(shè)計(jì)要求沒有封拱，隨后又由于氣溫升高，汛期來臨，封拱溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，第4分區(qū)的封拱時(shí)間將安排在該年冬季進(jìn)行.由于汛期將至，該水庫為壩頂自由泄洪外加一Φ600的放水管，無其它洪泄設(shè)備，綜合各方面的實(shí)際情況，要求在該年汛期期間進(jìn)行蓄水.1、2、3分區(qū)根據(jù)實(shí)際封拱灌漿時(shí)的壩體溫度，592.0 m～壩頂分區(qū)因混凝土齡期和天氣原因未封拱及壩基實(shí)際開挖的邊界條件重新對(duì)大壩作了應(yīng)力分析.

因此，根據(jù)實(shí)際的壩體溫度對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，考慮以下幾種工況:

(1)水庫永久蓄水時(shí)考慮工況

①基本工況

正常水位+溫降+自重+泥沙壓力

死水位+溫降+自重+泥沙壓力

死水位+溫升+自重+泥水壓力

②特殊工況

校核洪水位+溫升+自重+泥沙壓力

(2)水庫在該年汛期臨時(shí)蓄水時(shí)考慮工況

①工況1

考慮未封拱段為懸臂，不考慮拱向作用，計(jì)算不同水位時(shí)，懸臂固端的應(yīng)力.

②工況2

根據(jù)未封拱段的實(shí)測(cè)縫張開度和混凝土的線脹系數(shù)，考慮未封拱壩段的拱向作用，計(jì)算不同時(shí)間的壩體應(yīng)力(20年一遇臨時(shí)度汛洪水位+溫升(7、8、9、10 月)+ 泥沙壓力).

4.3 應(yīng)力計(jì)算方法及成果

應(yīng)力計(jì)算方法采用拱梁分載法.

計(jì)算成果如下:

(1)永久蓄水時(shí)，各種規(guī)范要求的計(jì)算工況均滿足規(guī)范要求，見表4.

表4 永久蓄水時(shí)各工況應(yīng)力計(jì)算成果表

(2)汛期臨時(shí)蓄水工況

工況二-I、只考慮未封拱段為懸臂梁時(shí)，懸臂梁固端的應(yīng)力成果見表5.

由上計(jì)算成果知，當(dāng)水庫蓄水至600 m高程時(shí)，懸臂固端處的最大拉應(yīng)力為0.5 MPa，滿足規(guī)范要求的拱壩獨(dú)立壩段拉應(yīng)力允許要求.由此結(jié)合前述水文洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果，3年一遇洪量92.0萬m3，當(dāng)打開放空管閘閥和滿出力發(fā)電時(shí)，24 h內(nèi)水庫水位為598.77 m，相應(yīng)庫容73.5萬 m3，洪水位＜600 m，滿足懸臂處拉應(yīng)力要求.

工況二-Ⅱ根據(jù)壩縫張開度，考慮拱壩拱向作用時(shí)的應(yīng)力成果見表6.

表5 懸臂梁懸臂處最大應(yīng)力成果表

表6 考慮拱向作用時(shí)應(yīng)力計(jì)算成果表

由上述計(jì)算成果知，在汛期臨時(shí)蓄水度汛，且部分考慮拱向作用拱壩的最大拉應(yīng)力為1.21 MPa(7月份)，基本滿足規(guī)范規(guī)定的1.2 MPa的允許值要求.

5 結(jié)語

(1)該年汛期度汛時(shí)，該拱壩溢流堰多次過水泄洪，拱壩安全度汛，說明在第4區(qū)封拱未完成情況下，臨時(shí)度汛方案的選擇是正確的.

(2)在第4區(qū)封拱未完成情況下，如果不考慮該區(qū)的拱向作用，只考慮懸臂梁時(shí)，當(dāng)水庫蓄水至600 m高程時(shí)，懸臂固端處的最大拉應(yīng)力為0.5 MPa，3 年一遇水庫水位為 598.77 m，因此該水庫大壩能承受3年一遇洪水.臨時(shí)度汛標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到規(guī)范要求的20年一遇要求.如果考慮拱向作用，20年一遇水庫水位604.71 m，拱壩的最大拉應(yīng)力為1.21 MPa(7月份)，說明該水庫大壩能承受20年一遇洪水.說明臨時(shí)度汛標(biāo)準(zhǔn)能達(dá)到規(guī)范要求.

(3)在拱壩橫縫灌漿(封拱)未完成的情況下，一般不允許蓄水.但一些小型水庫工程，考慮節(jié)省投資，及拱壩建筑物本身特點(diǎn)，一般導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)較低(選擇枯水期3年一遇)，臨時(shí)度汛時(shí)，壩體一般都要過水，因此，本工程在第四灌區(qū)為完成灌漿情況下臨時(shí)蓄水度汛，只要度汛方案選擇得當(dāng)，對(duì)工程本身的安全沒有影響，安全風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi).

［1］上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，長江水利委員會(huì)長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.SL 282-2003混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2003:39.

［2］朱友聰，王林素.淺析某水電站大壩裂縫對(duì)工程正常使用的影響［J］.浙江水利科技，2004(5):14-15，18.

［3］乳乃華，姜忠勝.大壩事故與安全拱壩［M］.北京:中國水利水電出版社，1995:20.