猴場水電站大壩設計研究

王然富

(貴州省水城縣水利局，貴州六盤水553500)

猴場水電站大壩設計研究

王然富

(貴州省水城縣水利局，貴州六盤水553500)

猴場水電站位于水城縣東南部猴場鄉(xiāng)境內(nèi)月亮河上，距縣城65 km。壩址在猴子箐河段，距猴場鄉(xiāng)13 km。根據(jù)調(diào)洪計算成果，水庫校核洪水位822.62 m，設計洪水位822.10 m，正常蓄水位818.50 m。文章結合工程實例對水電站大壩設計進行論述，并根據(jù)筆者多年來的工作經(jīng)驗和相關知識提出了相關設計及計算，希望能給予相關專業(yè)讀者借鑒。

水電站;大壩設計;基礎;防滲處理

1 工程概況

大壩左右兩岸為非溢流壩，河床段為溢流壩，壩基高程807.00 m，非溢流壩段最大壩高16.50 m，溢流壩段最大壩高8.0 m。溢流壩段位于樁號壩0+016.00至壩0+050.00段，堰頂高程815.00 m，設三孔三閘，孔口尺寸為9 m×3.5 m，閘門尺寸為9 m×4.0 m，溢流壩采用底流消能的方式;非溢流壩段左岸長5.45 m，右岸長16 m;沖沙底孔布置在大壩右岸，孔口中心線位于樁號0+016.40段，進口孔口為2 m×2 m，出口孔口為2 m×1.5 m。

2 筑壩材料

大壩為C15混凝土砌毛石重力壩，設計容重為23 kN/m3，迎水面為C20混凝土防滲面板，抗?jié)B等級為W6，抗凍等級為F50。猴場重力壩壩軸線短、方量少，根據(jù)試驗成果，毛石混凝土水泥用量少，絕熱溫升低，因而大壩混凝土未采取任何特別的溫控(分縫)措施，在控制混凝土入倉溫度等溫控措施的基礎上進行通倉澆筑，在節(jié)約造價的基礎上達到快速施工的目的?；炷潦┕ぜ夹g的工藝是:堆放石塊→灌入混凝土。其技術核心是利用高流態(tài)混凝土的特性，無須人工振搗，得到符合要求的防滲和結構性能。

高流態(tài)混凝土施工技術對原材料提出了幾個方面的要求:①采用其專利產(chǎn)品外加劑;②毛石塊徑＞15 cm，以30 cm左右為宜;③高流態(tài)混凝土骨料粒徑＜20 mm。這些要求使得高流態(tài)混凝土在施工和造價方面的優(yōu)勢受到了影響，從而限制了其在中小型工程中的推廣應用。

3 基礎及防滲處理

大壩建基面開挖至弱風化巖體上部，遇裂隙密集帶或卸荷裂隙適當嵌深。壩基平均開挖深度為3 m，兩岸壩肩平均開挖深度為2.8 m。強風化開挖邊坡為1:0.5，覆蓋層開挖邊坡為1∶1。

施工開挖后大壩壩基具有巖體完整性好、河床覆蓋層淺，工程地質(zhì)條件簡單、明朗，不會發(fā)生巖溶性滲漏等特點，雖然地基持力層為軟質(zhì)巖，但由于所建重力壩為低壩，承受的水荷載不大，建基面由初設的805.00 m高程抬高至807 m高程置于弱風化上部，地基承載力能滿足設計要求［1］。

壩址河床及岸坡地基巖層均為夜郎組砂質(zhì)泥巖，巖石的透水性很小，在水的浸泡下，其微裂隙會自行閉合。因此本壩的基礎不作特殊處理。墊層C15混凝土改為C10混凝土，在開挖后為防風化，先澆筑厚70 cm的C10混凝土墊層封閉，再在上面填筑壩體。為加強基巖的整體性和均一性，提高基巖的整體質(zhì)量，增加大壩的抗滑穩(wěn)定，對壩基、壩肩進行固結灌漿處理，重點選在河床壩基的節(jié)理密集帶，固結灌漿孔深入基巖5 m，呈梅花型布置，孔排距均為3 m。為增加護坦的抗浮穩(wěn)定，護坦混凝土澆筑后，對護坦做Φ25錨桿加固處理，錨桿深入基巖3 m，呈梅花型布置，間排距均為2 m。

根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319—2005)，壩高 ＜50 m的重力壩，帷幕的防滲標準為5Lu。通過壓水試驗可知，壩基巖體表層風化帶透率較大，弱風化、新鮮基巖透水率逐漸變小。由于壩址處于田壩寨向斜北西翼，受構造影響，裂隙較發(fā)育。壩基開挖后及時回填，并作固結灌漿處理，壩址地層為相對隔水層，建基面以下巖體透水率較小，以固結代帷幕，固結孔深入基巖5 m，固結灌漿結束標準≤5 Lu。壩基開挖后對護坦用錨桿作加固處理。

4 設計計算

4.1 基礎資料

4.2 壩頂高程計算

按《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319—2005)，壩頂高程等于水庫靜水位加上相應壩頂超高，按下列兩種情況計算，取其較大值:

1)設計洪水位+正常運用情況的安全超高。

2)校核洪水位+非常運用情況的安全超高。

表1 壩址巖石物理力學參數(shù)建議表

表2 壩址洪水流量及相應水位表

壩頂超高計算公式為:

式中:△h為防浪墻頂與水庫正常蓄水位或校核洪水位的高差，m;hb不波高，m。

式中:hz為波浪中心線至水庫正常蓄水位或校核洪水位的高差，m;hc為安全超高，m;正常運用情況取0.3 m，非常運用情況取0.2 m。Lm為平均波長，m;V0為計算最大風速，m/s;設計工況時V0=15 m/s;校核工況時 V0=10 m/s;D為風區(qū)長度，m;D=1 000 m;g為重力加速度，m/s2。

壩頂高程計算成果見表3。

表3 壩頂高程計算成果表 m

由校核洪水位控制壩頂高程，確定壩頂高程為823.50 m。

4.3 應力計算

本工程壩體斷面設計時，抗滑穩(wěn)定及壩體應力計算的荷載組合考慮在正常蓄水位情況和校核洪水位情況，各種狀況所受荷載見表4。

表4 作用組合表

計算見圖如下:

圖1 非溢流壩段計算簡圖

圖2 溢流壩段計算見圖

壩體應力計算方法參照《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319—2005)，壩基截面的垂直應力按計算公式為:

式中:σy為壩踵、壩趾垂直應力，MPa;ΣW為作用于1 m壩長上全部荷載(包括揚壓力，下同)在壩基截面上法向力的總和，kN;Σm為作用于1 m壩長上全部荷載對壩基截面形心軸的力矩總和，kN·m;A為1 m壩長的壩基截面積，m2;x為壩基截面上計算點到形心軸的距離，m;J為1 m壩長的壩基截面對形心軸的慣性矩，m4。

由于非溢流壩很短，根據(jù)壩基開挖后的實際情況，取擋水壩最大斷面，即河床建基面高程為807.0 m的斷面進行壩基應力計算，計算成果表5。

表5 壩基垂直應力計算成果表

由計算結果可見，非溢流壩、溢流壩在各種組合下壩踵垂直應力均未出現(xiàn)拉應力;而壩趾最大垂直應力為0.90 MPa，小于壩基的允許承載力1 MPa，也小于壩體混凝土的允許應力值，因此，壩基面應力滿足規(guī)范要求。

4.4 壩基抗滑穩(wěn)定計算

由于猴場閘壩較矮，又采用高流態(tài)混凝土快速筑壩技術，不考慮壩內(nèi)設廊道和打排水孔，僅于壩基墊層澆筑完畢后設置防滲帷幕。根據(jù)規(guī)范的建議，帷幕處對揚壓力折減系數(shù)取為1。

根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319-2005)，壩基面抗滑穩(wěn)定按抗剪斷強度公式計算為:

式中:k'為按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，f'=0.4;C'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，C'=0.2 MPa;A為壩基面接觸面截面積，m2;ΣW為作用于壩體上全部荷載(包括揚壓力，下同)對滑動平面的法向分值，kN;ΣP為作用于壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值，kN;壩基抗滑穩(wěn)定計算見下表6。

表6 抗滑穩(wěn)定計算成果表

根據(jù)規(guī)范6.4.1條規(guī)定，壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值在基本組合下大于3.0，特殊組合下大于2.5，非溢流壩壩基面抗滑穩(wěn)定滿足要求。

為計算的簡便，溢流壩未考慮溢流面上閘墩、閘門上所施加的豎向荷載，這使得計算偏于安全。壩基抗滑穩(wěn)定計算見表7。

表7 抗滑穩(wěn)定計算成果表

根據(jù)規(guī)范6.4.1條規(guī)定，壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值在基本組合下大于3.0，特殊組合下＞

2.5 ，溢流壩壩基面抗滑穩(wěn)定滿足要求。

根據(jù)地質(zhì)勘探的成果，壩基巖體內(nèi)不存在軟弱結構面，也不存在緩傾角裂隙，結合地質(zhì)人員建議，故不對大壩進行壩基深層抗滑穩(wěn)定計算。

5 結論

經(jīng)蓄水安全鑒定復核，大壩應力、穩(wěn)定滿足規(guī)范要求;溢洪道滿足泄洪要求，消能型式可行;沖沙兼放空底孔滿足水庫沖沙及放空要求，出口消能型式滿足規(guī)范要求;發(fā)電取水口的取水高程及過流能力滿足設計要求。因此，設計認為，在達到水庫蓄水前的工程形象進度要求后，經(jīng)批準可進行初期蓄水。

［1］銀正濤，銀正彤，鄭文鋒.長灘水電站大壩設計探討［J］.科技資訊，2007(01):205.

TV64

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1007-7596(2014)06-0143-03

2013-03-20

王然富(1973-)，男，貴州水城人，工程師，從事農(nóng)田水利、水工建筑相關工程的勘測設計、施工及研究管理工作。