枧槽溝水庫拱壩設計

錢雪晉

(貴州省水利水電勘測設計研究院,貴州 貴陽 550002)

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枧槽溝水庫拱壩設計

錢雪晉

(貴州省水利水電勘測設計研究院,貴州 貴陽 550002)

枧槽溝水庫壩高54 m，為混凝土單心圓單曲拱壩。壩基地質條件較復雜，壩高1/3以下壩基為松子坎組泥質灰?guī)r，屬軟巖至中硬巖類；壩高1/3以上壩基為獅子山組灰?guī)r，屬硬質巖類。采用ADASO拱壩應力分析程序進行應力計算，用剛體極限平衡法進行壩肩穩(wěn)定計算，結果表明，不同工況下應力及穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

枧槽溝水庫；單心圓單曲拱壩；拱壩設計

1 工程概況

枧槽溝水庫位于息烽縣東北部，距縣城約1 km。水庫總庫容138萬m3，正常蓄水位1066 m，工程規(guī)模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等。大壩為混凝土單心圓單曲拱壩，壩頂高程1068 m，最大壩高54 m，最大底厚15.6 m，厚高比0.29，大壩為4級建筑物。

枧槽溝水庫工程具有以城鎮(zhèn)供水為主兼灌溉等功能，建成后將提供城鎮(zhèn)供水量238萬m3/a和承擔改善灌區(qū)33.33 hm2灌溉面積灌溉用水的任務。工程總工期24個月，總投資8724萬元。

2 壩址地形地質條件

壩址位于川黔鐵路枧槽溝大橋上游約160 m處，為較對稱“U”型橫向河谷，兩岸地形坡度上陡下緩，地形坡角約50°～70°,河床寬15～30 m，河床高程1022～1025 m，設計正常蓄水位1066 m時，谷口寬約81 m，地形寬高比1.9。

壩址區(qū)左岸1035 m、右岸1040 m高程以上為三疊系獅子山組第一段(T2sh1)灰色中-厚層灰?guī)r、白云質灰?guī)r夾灰黃色白云巖；以下為三疊系松子坎組第二段(T2s2)薄-中厚層泥晶灰?guī)r和薄層泥質白云巖、白云巖與雜色泥(頁)巖呈不等厚互層。巖層近SN走向、傾W(傾下游略偏左岸)，傾角28°～37°。

壩址區(qū)出露地層主要為三疊系中統獅子山組第一段(T2sh1)中厚層灰?guī)r、白云質灰?guī)r，其中灰?guī)r、白云巖和白云質灰?guī)r屬硬質巖類；松子坎組第二段(T2s2)薄至中厚層白云巖、泥質白云巖、鈣質泥頁巖和泥質白云巖、泥質灰?guī)r屬軟巖至中硬巖類。

3 拱壩布置及設計

擋水建筑物為C15常態(tài)混凝土單曲拱壩，拱壩壩頂寬5 m，壩底寬15.6 m，上游坡度m1=0，下游坡度m2=0.2，起坡點高程為1068 m。最大拱壩高54 m，厚高比為0.29，屬于中厚拱壩。最大外半徑65 m，最大內半徑60 m，最大中心角109.689°。壩基高程1014 m，壩頂總長124.438 m。大壩左右兩岸為非溢流壩，河床段為溢流壩段。溢洪道設閘控制開敞式自由溢流，堰頂高程1063 m。溢流前沿凈寬12 m，壩頂設4 m×3 m(b×h)工作閘門，其上設寬為5 m的鋼筋混凝土人行交通橋。

拱壩共設6條橫縫，把整個壩體分為長17 m、17 m、17.588 m、23.97 m、16.442 m、16 m、16.438 m的7段。橫縫縫面設置梯形鍵槽，橫縫上游側及下游側各設1道1.5 mm厚的銅片止水，縫內布置灌漿管進行接縫灌漿。

在壩內1027 m高程設置灌漿排水廊道，灌漿廊道兩端底板布置于1042.0 m高程，采用1∶1的坡度至1027 m高程。凈空尺寸為2.5 m×3.25 m城門洞型，30 cm厚鋼筋混凝土襯砌，靠下游側設置排水溝，通過壩內預埋φ100排水管將水排出壩體。壩基排水孔設于大壩帷幕下游側，鉆孔深度為深入基巖10 m，鉆孔傾向下游，傾角5°，壩基排水引至下游，然后排至下游河道。

4 應力及穩(wěn)定分析

4.1 壩體應力分析

拱壩應力計算采用中國水利水電科學研究院結構所編制的拱壩多拱梁混合法應力分析程序——《拱壩體形優(yōu)化程序ADASO》電算程序計算。

(1)荷載組合

基本組合1：正常蓄水位1066 m與下游無水+泥沙壓力(淤沙高程1037.85 m)+壩體自重+設計正常溫降+揚壓力。

基本組合2：死水位1041.5 m與下游無水+泥沙壓力(淤沙高程1037.85 m)+壩體自重+設計正常溫升+揚壓力。

基本組合3：設計洪水位1066.21 m與相應尾水位1025.68 m+泥沙壓力(淤沙高程1037.85 m)+壩體自重+設計正常溫升+揚壓力。

特殊組合：校核洪水位1066.98 m與相應尾水位1026.42 m+泥沙壓力(淤沙高程1037.85 m)+壩體自重+設計正常溫升+揚壓力。

(2)計算結果分析

基本組合1工況T2sh地層中最大壓應力發(fā)生在高程1045.4 m左拱端下游面，為1.9 MPa，T2s2地層中最大壓應力發(fā)生在高程1030.2 m拱冠上游面，為1.6 MPa；最大拉應力發(fā)生在高程1022.6 m拱冠下游面，為-1.07 MPa；

基本組合2工況地層中最大壓應力發(fā)生在高程1068.0 m右拱端上游面，為1.5 MPa；T2s2地層中最大壓應力發(fā)生在高程1030.2 m右拱端上游面，為1.3 MPa；最大拉應力發(fā)生在高程1022.6 m右拱端上游面，為-0.62 MPa；

基本組合3工況T2sh地層中最大壓應力發(fā)生在高程1068.0 m右拱端上游面，為2.1 MPa，T2s2地層中最大壓應力發(fā)生在高程1030.2 m右拱端下游面，為1.6 MPa；最大拉應力發(fā)生在高程1037.8 m左拱端上游面，為-0.8 MPa；

特殊組合工況T2sh地層中最大壓應力發(fā)生在高程1045.4 m左拱端下游面，為2.1 MPa；T2s2地層中最大壓應力發(fā)生在高程1030.2 m右拱端下游面，為1.6 MPa；最大拉應力發(fā)生在高程1037.8 m左拱端上游面，為-0.78 MPa；

綜上，T2sh地層中最大壓應力值為2.1 MPa，T2s2地層中最大壓應力值為1.6 MPa；最大拉應力值為為-1.07 MPa。大壩基礎T2sh地層中灰色中-厚層灰?guī)r、白云質灰?guī)r夾灰黃色白云巖的允許壓應力為3000～3500 kPa，T2s2地層中薄層灰?guī)r、泥質灰?guī)r、泥質白云巖的允許壓應力為1800～2200 kPa，經分析壩體各計算點的計算應力值均滿足要求。

4.2 壩肩抗滑穩(wěn)定分析

(1)平面穩(wěn)定計算分析

在拱壩壩肩穩(wěn)定計算中截取單位高度的壩體及巖體，在拱端的推力下，核算壩肩巖體的平面穩(wěn)定，拱壩的穩(wěn)定計算采取“剛體極限平衡法”計算拱壩的分層穩(wěn)定。壩肩力系由程序ADASO提供，本工程靜力計算共計算了四種工況，即三種基本組合、一種特殊組合。計算結果見表1。

表1 壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數表

由表1可知，左岸基本工況最小安全系數為3.1，特殊工況最小安全系數為3.2，均分別大于規(guī)范要求3.0、2.5；而右岸基本工況一最小安全系數為2.7，不滿足規(guī)范要求，需進行空間穩(wěn)定計算[1]。

(2)空間穩(wěn)定計算分析

對1030.2 m高程以上進行空間穩(wěn)定計算，采用剛體極限平衡法。計算假定[2]：①作用于滑移體上所有的力，可以合成一個合力；②在外力作用下，滑移體不發(fā)生變形，即為剛性塊體；③沿單一面的滑移，只有當滑移力指向臨空面時才能發(fā)生；④沿兩個面的滑移，只能沿著它們的交線并該交線指向臨空面才能發(fā)生；⑤在垂直于滑移方向的平面上，不存在剪切。

通過計算1030.2 m高程以上空間抗滑穩(wěn)定安全系數為3.32，大于3.0，滿足規(guī)范要求。

5 基礎處理

大壩基礎開挖至弱風化巖體中部的基巖，由于松子坎組各種巖體承載力不均勻，為了保證基礎受力均勻，提高基礎承載力，處于松子坎組地層的基礎除鋪設1 m厚的C15常態(tài)混凝土外須對泥巖等軟弱層采取局部深挖回填C15混凝土的處理措施。此外還須作固結灌漿處理，兩壩肩獅子山組巖體較為堅硬，但為了提高其整體性和承載力也需進行固結灌漿，固結灌漿孔深均為5 m，呈梅花型布置，間排距均為3 m。左壩肩處于裂隙密集帶和卸荷裂隙，基礎適當嵌深。壩基平均開挖深度為10.9 m，兩岸壩肩平均開挖深度為10.5 m，強風化開挖邊坡為1∶0.5，覆蓋層開挖邊坡為1∶1。

6 結 語

采用ADASO拱壩應力分析程序進行應力計算，采取剛體極限平衡法進行壩肩穩(wěn)定計算。計算結果表明，不同工況下應力及穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

[1] 潘家錚.關于拱壩壩頭的穩(wěn)定分析[J].水利水電技術，1979(4)：14-21.

[2] 朱伯芳,高季章,陳祖煜,等.拱壩設計與研究[M].北京：中國水利水電出版社，2002，156-186.

錢雪晉(1985-)，男，工程師，主要從事水利水電工程建筑工作。

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