高碾壓混凝土重力壩設計方法

袁曉華

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽551000)

1 工程概況

石橋水庫工程位于貴州省六盤水市盤縣石橋鎮(zhèn)，距縣政府所在地紅果鎮(zhèn)直線距離約20 km。石橋水庫所在的紅巖河為黃泥河的支流。黃泥河為珠江流域西江水系南盤江左岸的一級支流。工程區(qū)所在地距盤縣石橋鎮(zhèn)約6 km，距威箐站5 km(壩址處最近的火車站)，距紅果的公路距離約為43 km，交通較為方便。

樞紐布置根據(jù)水文、地形地質(zhì)條件，推薦壩址采用常態(tài)混凝土拱壩方案與碾壓混凝土重力壩方案兩種壩型進行比較。

樞紐建筑物主要考慮攔河大壩、泄洪建筑物、取水設施及下放環(huán)境水設施等相互之間的協(xié)調(diào)及上壩交通等。

2 碾壓混凝土重力壩設計

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)第2.1.1 款的規(guī)定，盤縣石橋水庫工程總庫容＜1 000 萬m3，水庫樞紐水庫最大壩高55.5 m，正常蓄水位1 544.00 m，相應庫容544 萬m3，校 核 洪 水 位1 545.13 m，總 庫 容593 萬m3，可供水量為831 萬m3/a，為小型水庫［1］。由于大壩為中高壩，壩軸線也不長，考慮不設縱縫，只設橫縫，在大壩壩身設4 條橫縫，將壩體分為5個壩段，壩段長度18 ～35 m不等，橫縫上游面設置一道銅片止水。

按《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319—20053)計算確定壩頂高程1 546 m，大壩為碾壓混凝土重力壩壩，壩頂總長148.3 m，壩頂寬度4 m，非溢流壩段下游壩坡1∶0.7，上游壩折坡1∶0.15。

大壩基礎(chǔ)置于弱風化巖體上部，河床壩段建基面高程1 492 m，最大壩高56 m。非溢流壩段在溢流壩兩側(cè)及兩岸，上游壩坡1∶0.15，折坡點高程1 516.0 m，下游平均壩坡1∶0.7，為方便碾壓施工，下游面采用臺階式。

壩體內(nèi)部用C10 三級配碾壓混凝土，迎水面依次為C20 二級配變態(tài)混凝土護面厚300，C20 二級配碾壓混凝土防滲層厚度1.5 ～3.0 m，壩體河床段建基面設C15 混凝土墊層厚1.0 m。

壩內(nèi)1 509.00 m高程設有灌漿兼排水廊道，兩岸通過斜廊道升至1 516.00 m 高程，與壩后交通連接［2］。

壩體抗滑穩(wěn)定根據(jù)有關(guān)物理力學指標用抗剪公式計算，在基本荷載組合下，安全系數(shù)≥1.05，在特殊荷載組合下，安全系數(shù)≥1.0?；窘M合抗剪斷系數(shù)＞3.0，特殊組合抗剪斷安全系數(shù)＞2.5。

實體重力壩應力計算采用材料力學法進行計算，應滿足下列要求:

1)壩基面垂直正應力應小于砌體容許壓應力。

2)壩基面最小垂直正應力應為壓應力。

3)壩體混凝土采用C10 三級配碾壓混凝土，其允許承載力為3.38 MPa。

4)壩基開挖至微風化上部巖體，其允許承載力為3 MPa［3］。

3 碾壓混凝土重力壩和常態(tài)混凝土拱壩在施工中的應用

從工程建設條件、樞紐布置等方面對中壩址兩布置方案進行對比分析:

根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查壩區(qū)巖體層間無軟弱夾層分布。壩基巖體屬于中硬巖類。P1m1為中厚層狀的白云質(zhì)灰?guī)r，巖體裂隙結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，多閉合，巖體較完整，強度較高，抗滑、抗變形能力較強，壩址區(qū)不存在緩傾角裂隙面，壩基抗滑穩(wěn)定性較好。拱壩及重力壩兩種壩型各有一定優(yōu)勢，但差異不大，均具備建壩條件［4］。

拱壩的受力特點是兩壩肩巖體為主要的持力層，本工程壩址處左壩肩地形坡度約30 ～40°，地層巖性為二迭系茅口組中至厚層狀的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，基巖裸露，為巖質(zhì)邊坡，巖層產(chǎn)狀120∠3°，屬斜向坡，自然邊坡總體穩(wěn)定。

右壩肩地形坡度30 ～50°，地層巖性為二迭系茅口組中至厚層狀的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀300∠6°，屬斜向坡，自然邊坡總體穩(wěn)定。

從地質(zhì)角度出發(fā)，壩址區(qū)兩壩肩的巖體完整、強度較高、抗滑(變形)能力強，對拱壩的抗滑穩(wěn)定和抗變形都有利［5－7］。常態(tài)混凝土拱壩方案與碾壓混凝土重力壩在施工中的對比見表1。

表1 常態(tài)混凝土拱壩方案與碾壓混凝土重力壩在施工中的對比

4 溢洪道的設計與消能方式

從溢洪道的角度來看，在常態(tài)混凝土拱壩方案中，結(jié)合擋水壩型為拱壩，對壩頂溢洪道優(yōu)先考慮。從地形看壩身不宜布置過大的溢流寬度，結(jié)合下游河道走勢及其它建筑物的布置，上游水庫淹沒影響等，溢洪道采用3 孔7 m×5 m(寬×高)的閘門控制。溢流凈寬為21m，堰頂高程1539m。溢洪道布置在壩身河床段，由上游面曲線、下游面曲線和下游反弧挑流消能段組成，總長13.57 m。

溢流堰采用WES 冪曲線，曲線方程為y =0.123X1.85，下游采用挑流消能，反弧半徑為6.0 m，挑射角為10.0°，挑流鼻坎頂高程1 533.965 m。

表孔溢流面采取C30 混凝土澆筑，閘墩、導墻、溢流頭內(nèi)部均采取C20 混凝土，閘墩頂部設C25 混凝土交通橋連接大壩兩端［8－9］。

在碾壓混凝土方案中，根據(jù)地形地質(zhì)條件，將溢洪道布置在壩身河床段，在大壩的中部，溢洪道采用3 孔7 m ×5 m(寬×高)的閘門控制。溢流凈寬為21m，堰頂高程1 539 m。溢洪道由上游面曲線、下游面曲線和下游反弧挑流消能段組成，總長40.463 m。

溢流堰采用WES 冪曲線，曲線方程為y =0.1159X1.85，下游采用挑流消能，反弧半徑為20.0 m，挑 射 角 為 15.0°，挑 流 鼻 坎 頂 高程1 514.821 m。

表孔溢流面采取C30 混凝土澆筑，閘墩、導墻、溢流頭內(nèi)部均采取C20 混凝土，閘墩頂部設C25 混凝土交通橋連接大壩兩端。

5 碾壓混凝土重力壩設計中的難點分析

拱壩施工中為了防止壩體混凝土發(fā)生深層和貫穿性裂縫，除提高抗裂性能外，施工時應通過實驗確定混凝土水灰和外摻劑的用量，以最合理的方式降低混凝土的水化熱。

在安排澆筑進度時，要以較理想的澆筑上升速度均勻上升，參考國內(nèi)已建成工程的經(jīng)驗，一般以0.9 m ～1.5 m /d的速度較為理想。

選擇最合適的開工時期，使壩體最厚部位在低溫季節(jié)施工，參考省內(nèi)已建工程，黑龍江省較合適的開工時期定為10—3月。

計算中按不同季節(jié)所澆的各層混凝土所達到的最高溫度及最終穩(wěn)定溫度(此項應根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行計算)。以便對混凝土的施工溫度進行有效控制［11］;參考已建工程溫度控制標準為:

1)基礎(chǔ)允許溫差為13 ～18 ℃。

2)內(nèi)外溫差為15 －21 ℃。

3)上下層溫差為15 ～20 ℃。

本工程溫控措施主要采用以下3 方面來控制:

1)減少混凝土發(fā)熱量:采用發(fā)熱量較低的低熱水泥或中熱水泥，根據(jù)試驗結(jié)果，摻和適量的粉煤灰，減少水泥用量，降低水化熱［10］。

2)降低混凝土入倉溫度:①施工時盡可能利用在秋、冬、春三個季節(jié)施工;②在高溫季節(jié)采用灑水降溫、地漏取料等措施，以降低混凝土入倉溫度。

3)采取加速混凝土散熱方式:主要是采用埋設混凝土冷卻水管，施工時在混凝土澆筑層面埋設Φ20 ～25 mm 的薄鋼管，鋼管水平間距按1.5 m 控制［11］，混凝土層面按1.5 m控制。在混凝土澆筑4h后開始自下而上通水冷卻。

6 結(jié) 語

石橋水庫工程的高碾壓混凝土重力壩設計中，所包括的幾個重大技術(shù)問題，如論溢洪道設計、論溢洪道消能方式的選擇、發(fā)電廠房的優(yōu)化設計等方面，并在工程設計中，充分利用先進科技，并對其施工經(jīng)驗進行總結(jié)，確保工程建設能夠順利進行。

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