湖北青龍水電站碾壓混凝土雙曲拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃華新

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

1 工程概況

青龍水電站大壩位于湖北省恩施市馬尾溝流域新塘鄉(xiāng)陰沙潭處，電站廠房位于馬尾溝六級(jí)電站壩址上游800m處，壩址與廠址之間相距約6.9km，該電站是馬尾溝流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二級(jí)水電站，壩址以上流域面積208km2。正常蓄水位為735.0m，最大設(shè)計(jì)壩高137.7m（實(shí)施過(guò)程中壩基地質(zhì)條件較好，壩基整體抬高7m，局部地質(zhì)缺陷帶挖槽回填混凝土，實(shí)際最大壩高130.7m），水庫(kù)總庫(kù)容2939萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1620萬(wàn)m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)?？傃b機(jī)容量40MW，保證出力5.2MW，多年平均發(fā)電量1.119億kW·h。水庫(kù)樞紐工程規(guī)模為三等中型工程。主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)。由于壩高超過(guò)100m，其建筑物級(jí)別提高一級(jí)為2級(jí)。大壩和泄水建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核；消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)。

2 拱壩布置

樞紐工程的主要建筑物由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪表孔、發(fā)電引水隧洞、電站廠房和GIS樓等組成。發(fā)電引水隧洞總長(zhǎng)5600m，設(shè)計(jì)引用流量21.0m3/s，設(shè)有直徑為10m的簡(jiǎn)單圓筒式調(diào)壓井。電站廠房安裝2臺(tái)20MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

碾壓混凝土雙曲拱壩采用拋物線拱，壩頂高程737.7m，設(shè)計(jì)最大壩高137.7m，頂拱最大中心角82.94°，頂拱弧長(zhǎng)116m，拱冠梁頂厚6m，底厚23m，厚高比為 0.167，最大倒懸度0.125。采用壩身表孔泄洪，布置3孔10m×7m（寬×高）溢流表孔，堰頂高程728.0m，堰面為WES曲線，采用弧形閘門(mén)控制，液壓?jiǎn)㈤]（六壩平面布置見(jiàn)圖1）。壩肩采用窯洞開(kāi)挖方案，窯洞頂部高程745.7，頂寬（10～12.5）m，洞深約14m。

3 拱壩計(jì)算方法

圖1 壩頂平面結(jié)構(gòu)布置圖

本工程采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)抗震中心的拱壩試載法靜動(dòng)分析程序SDTLM88進(jìn)行計(jì)算，其拱梁分載法計(jì)算原理是在拱壩中取中取若干條單寬懸臂梁和單高水平拱，把水荷載分配給這些梁和拱的單元，梁和拱的交點(diǎn)處在指定方向的變位一致，包括徑向變位Δr，切向變位Δs和水平扭轉(zhuǎn)角變位Δθ。

在拱壩變位中，徑向變位值Δr最大，首先調(diào)整徑向變位，由于變位不一致，必須重新分配拱梁荷載，直至拱梁各共軛點(diǎn)徑向變位一致或接近一致，此時(shí)各點(diǎn)的切向變位Δs和扭轉(zhuǎn)變位Δθ不會(huì)恰好一致，須在拱和梁之間加一對(duì)內(nèi)力促使二者的切向變位和扭轉(zhuǎn)角變位也相等，第一次徑向、切向和扭轉(zhuǎn)調(diào)整結(jié)束后拱和梁相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的徑向變位又會(huì)不一致，需再調(diào)整徑向荷載的分配，如此反復(fù)計(jì)算，直至相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)的徑向、切向和角變位基本一致。

4 拱壩體型選擇

拱壩體形初擬三心圓拱、五心圓拱和拋物線拱方案，對(duì)三種線形的雙曲拱壩方案采用上述計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算比較，然后推薦較優(yōu)的拱壩體形方案。對(duì)三心圓、五心圓和拋物線拱方案的半徑、中心角、拱端厚度等參數(shù)反復(fù)調(diào)整，按照以下：（1）正常蓄水位加溫降；（2）正常蓄水位加溫升；（3）死水位加溫升；（4）設(shè)計(jì)洪水位加溫升；（5）校核洪水位加溫升等5種基本荷載組合工況；分別計(jì)算各壩型的最大應(yīng)力及部位。結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 各壩型應(yīng)力計(jì)算成果表

從表1可以看出，多心圓拱方案（三心圓拱、五心圓拱）與拋物線拱方案上下游面最大拉應(yīng)相差不多，均滿足1.5MPa設(shè)計(jì)拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，但是多心圓拱方案壓應(yīng)力明顯比拋物線拱方案大，并且多心圓拱方案下游面在左岸拱端高程（640～660）m部位，最大值分別為6.51MPa、6.56MPa,超過(guò)設(shè)計(jì) 6.0 MPa壓應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。最終選用拋物線拱方案。

5 拋物線拱壩型參數(shù)

水平拱圈和拱冠梁均采用拋物線，拱冠梁上下游曲線均為2次曲線，其方程分別為：

水平拱圈拋物線開(kāi)口向下，方程Y=-X2/（2R）+ B，式中B為拱冠凸度，R為x=0處的曲率半徑。

參數(shù)方程：X=R×tgθ，Y=-（R×tg2θ）/2+B，式中R同上，θ為似中心角。

表2為拋物線左側(cè)拱參數(shù)，表3為拋物線右側(cè)拱參數(shù)。

6 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 混凝土分區(qū)

混凝土分區(qū)根據(jù)壩體應(yīng)力、強(qiáng)度、抗?jié)B、溫控及抗沖耐磨等要求，分區(qū)如下（圖2）：

（1）大壩基礎(chǔ)設(shè)置2m厚的墊層混凝土區(qū)、廊道和止水周邊0.8m厚區(qū)域，采用C9025二級(jí)配細(xì)石變態(tài)碾壓混凝土，防滲等級(jí)W10。

（2）大壩上游面▽680m以下5m厚、▽680m以上3m厚防滲層采用C9025二級(jí)配細(xì)石碾壓混凝土，防滲等級(jí)W10。

（3）大壩主體▽680m以下采用C9025碾壓混凝土，▽680m以上C9020碾壓混凝土。

表2 拋物線左側(cè)拱參數(shù)

表3 拋物線右側(cè)拱參數(shù)

圖2 拱壩剖面圖

（4）溢流壩堰體和閘墩采用C2820常態(tài)混凝土澆筑；由于泄洪表孔單寬流量較大、流速高，為防止過(guò)流面產(chǎn)生沖刷，在溢流面采用1m厚的C2830抗沖耐磨混凝土；閘墩牛腿、門(mén)槽二期混凝土、公路橋和路面采用C2830混凝土。

6.2 壩體分縫

結(jié)合工程“U”型河谷的特點(diǎn)，建基面600.0m高程拱圈弧長(zhǎng)僅為34.55m，640高程拱圈弧長(zhǎng)62.7m，壩頂弧長(zhǎng)116m，考慮誘導(dǎo)縫具有壩體未冷卻收縮時(shí)就能蓄水發(fā)電的特點(diǎn)，且具有全斷面碾壓施工，加快施工速度的特點(diǎn)，其縫的構(gòu)造形式簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量容易保證。本大壩布置1#、2#兩條誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫自▽640m至壩頂，▽640m以下壩體通倉(cāng)澆筑，1#、2#誘導(dǎo)縫將▽640m以上壩體分為3個(gè)壩段。

7 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，青龍碾壓混凝土雙曲拱壩方案能夠較好地滿足壩址的不對(duì)稱地形條件，應(yīng)力分布均勻，上下游面的最大拉、壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，工程量最少，工程經(jīng)濟(jì)合理。