水庫(kù)碾壓混凝土雙曲變厚變曲率拱壩方案優(yōu)化分析

摘 要：貴州某中型綜合功能水庫(kù)，主要工程任務(wù)以城市工業(yè)供水為主，其大壩推薦采用基于碾壓混凝土技術(shù)的雙曲變厚變曲率拱壩，最大壩高72m，壩頂寬度為6.0m。結(jié)合工程區(qū)地形地貌、地質(zhì)水文、筑壩料場(chǎng)、運(yùn)輸施工條件等因素，對(duì)水庫(kù)大壩的壩型、壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化布置，并對(duì)大壩應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)分析計(jì)算，確保拱壩方案達(dá)到技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，推動(dòng)工程安全可靠、高效優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè)。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)；變厚變曲率；碾壓混凝土；雙曲拱壩

1 工程概況

貴州某中型水庫(kù)的主要任務(wù)以城市工業(yè)供水為主，兼顧農(nóng)田灌溉、下游防洪減災(zāi)等功能。水庫(kù)正常蓄水位為1310.50m，相應(yīng)庫(kù)容為1980萬(wàn)立方米，每年向工程區(qū)境內(nèi)的火力發(fā)電廠、焦化煤廠、石油化工精煉廠、太陽(yáng)能晶體硅等工礦企業(yè)提供原水2350萬(wàn)立方米（P=97%），其次可以向水庫(kù)下游9255畝農(nóng)業(yè)耕地提供灌溉用水約320萬(wàn)立方米（P=80%），且對(duì)水庫(kù)下游5個(gè)鄉(xiāng)10余村防洪減災(zāi)提供重要工程設(shè)施，并能為下游河道提供生態(tài)環(huán)境水425萬(wàn)立方米（P=90%）。該水庫(kù)的總庫(kù)容為2130萬(wàn)立方米，處于0.1億立方米～1億立方米范圍，確定工程規(guī)模為中型水庫(kù)，工程等別為Ⅲ等。工程的總投資為25298萬(wàn)元，建設(shè)工期為30個(gè)月。

2 工程區(qū)地形地質(zhì)概況

水庫(kù)屬于典型的山區(qū)河道型水庫(kù)，壩址處河谷為不對(duì)稱(chēng)“U”型縱向谷[1]。壩址左岸上下部地形有較大差異，上部為31～47的坡地，下部則為非常陡峭的陡壁；右岸地形相比左岸坡度較緩，上部坡度為34～47的坡地，下部為57～66的坡地。壩址區(qū)河底寬約9～25m，水深0.3～0.8m，河底高程1260～1261m。正常蓄水位1310.50m高程河谷寬123.78m，河谷寬高比為2.28。壩址區(qū)域巖體一致性和完整性均較好，巖石強(qiáng)度也較高，比較適宜修建混凝土重力拱壩等剛性壩。距離壩址區(qū)約3.5km處有適宜的筑壩材料開(kāi)采場(chǎng)（場(chǎng)內(nèi)巖石以白云巖、白云灰質(zhì)巖等為主），且目前已有縣級(jí)公路連接料場(chǎng)與工程區(qū)，加上距離工程區(qū)約10km的地方有一個(gè)中型火力發(fā)電廠可以提供粉煤灰材料。因此，綜合工程區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)及料場(chǎng)等因素，推薦采用碾壓混凝土重力拱壩作為該水庫(kù)壩型。

3 雙曲變厚變曲率拱壩樞紐布置方案

經(jīng)壩型、綜合成本等因素的對(duì)比分析，該水庫(kù)推薦采用碾壓混凝土雙曲拱壩，拱冠處壩頂寬6m，壩底厚18m，最大拱端厚20.185m。拱壩中心線方位角S29.8°W，頂拱中心角79.2°，最大中心角87.62°。為適應(yīng)壩址區(qū)左右岸地形地貌不對(duì)稱(chēng)特性，方案優(yōu)化過(guò)程中左、右半拱按照不同圓心變厚變曲率拋物線進(jìn)行布置，其中左岸其最大曲率半徑為103.595m，右岸其最大曲率半徑為91.168m。拱壩壩軸線長(zhǎng)為213.75m。大壩壩基主體放在弱風(fēng)化帶巖體中部，兩岸壩坡（肩）基礎(chǔ)則放在微風(fēng)化上部。建基面高程1241.50m，壩頂高程1313.50m，最大壩高72m，拱冠處大壩厚高比0.26。表孔設(shè)置在大壩中部，采用3孔尺寸為6.0m（寬）×4.5m（高）的弧形工作閘門(mén)進(jìn)行洪水?dāng)r蓄，并設(shè)置6m寬鋼筋混凝土梁交通橋連接大壩左右岸。在雙曲拱壩左、右岸分別設(shè)置3.0m（寬）×3.5m（高）的帷幕灌漿平洞，為大壩左、右岸防滲帷幕灌漿提供施工作業(yè)平臺(tái)，其中灌漿平洞左岸長(zhǎng)832m、右岸長(zhǎng)1015m。

4 變厚變曲率雙曲拱壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化

工程施工建設(shè)完成后，整個(gè)大壩不作為主要交通樞紐，因此在壩頂寬度確定時(shí)只需滿足施工期混凝土碾壓填筑運(yùn)輸需求即可，綜合考慮混凝土運(yùn)輸設(shè)備、閘門(mén)起吊設(shè)備、大壩運(yùn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行和安裝要求，最終確定壩頂寬度為6.0m。

雙曲變厚變曲率混凝土拱壩，其大壩主體材料采用90天齡期的三級(jí)配C15W6F50碾壓混凝土，其中大壩迎水面其防滲層則采用90天齡期二級(jí)配C20變態(tài)混凝土和90天齡期二級(jí)配C20W6F50碾壓混凝土。迎水面變態(tài)混凝土厚度為0.5m，二級(jí)配防滲混凝土在1266.50m高程以上其厚度為2.0m，而在1266.50m高程以下其厚度為3.0m。大壩基礎(chǔ)采用2.0m厚的90天齡期二級(jí)配C20W6F50常態(tài)混凝土墊層。大壩下游壩面則采用厚度為0.5m的90天齡期三級(jí)配C15W6F50變態(tài)混凝土。在大壩壩體共設(shè)置4條誘導(dǎo)縫，其樁號(hào)分別為壩0+022.165、壩0+066.165、壩0+122.765和壩0+193.265，將壩體共分為5個(gè)部分，各壩段長(zhǎng)度由22～71.5m不等，在誘導(dǎo)縫上游面?zhèn)仍O(shè)置兩道銅片止水設(shè)施。根據(jù)大壩帷幕灌漿及施工期和運(yùn)營(yíng)期壩基及壩身自身排水的需求，在壩內(nèi)1261.50m高程處設(shè)置一道2.5m（寬）×3.5m（高）的灌漿排水廊道。

5 變厚變曲率雙曲拱壩應(yīng)力及壩肩穩(wěn)定性分析

5.1 變厚變曲率雙曲拱壩應(yīng)力分析

拱壩應(yīng)力按照多拱梁法進(jìn)行分析，其荷載組合包括基本組合和特殊組合[2]。其中，基本荷載組合為：工況1：正常蓄水位1310.50m及相應(yīng)尾水位（無(wú)）+大壩自重+正常溫降低；工況2：洪水位1310.18m與相應(yīng)尾水位1261.13m+大壩自重+正常溫升；工況3：死水位

1289.00m與相應(yīng)尾水位（無(wú)）+大壩自重+正常溫升。特殊荷載組合為；工況4：校核洪水位1312.60m與相應(yīng)尾水位1262.50m+壩體自重+正常溫升。

經(jīng)拱壩應(yīng)力程序計(jì)算，結(jié)果表明：該雙曲變厚變曲率拱壩在三種荷載基本組合下，其上下游面拉應(yīng)力最大為0.83MPa（位于EL1256.50高程右端部），最大壓應(yīng)力為2.76MPa（位于EL1276.50高程右端部）；荷載特殊組合下上下游面最大拉應(yīng)力為0.78MPa，最大壓應(yīng)力為2.76MPa。最大位移為1.522cm，發(fā)生在工況1條件正常+溫降工況下的1314.50m高程。最大位移發(fā)生位置及位移值均與變厚變曲率雙曲拱壩位移分布規(guī)律匹配，計(jì)算結(jié)果可靠。

5.2 變厚變曲率雙曲拱壩壩肩穩(wěn)定性分析

大壩兩壩肩其巖體一致性和整體性均較好，但由于其主要結(jié)構(gòu)面存在裂隙、層面，屬層狀結(jié)構(gòu)或鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，為確保大壩壩肩具有較高安全性和可靠性，采用《拱壩體形優(yōu)化程序ADASO》電算程序?qū)Υ髩螇渭绶€(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可以知，大壩左、右岸在正常和特殊工況組合條件下，左、右岸壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)均大于3.0，滿足規(guī)范技術(shù)指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

在該中型III等水庫(kù)大壩優(yōu)化布置過(guò)程中，根據(jù)工程區(qū)的地質(zhì)、水文等特性，推薦采用變厚變曲率雙曲拱壩方案。經(jīng)拱壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力和穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明所優(yōu)選的雙曲拱壩方案，具有較高的安全性和壩肩穩(wěn)定性，能夠滿足技術(shù)規(guī)范指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]葉小萍，王朝進(jìn).水利水電樞紐工程雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2014（12）：61-63.

[2]李潤(rùn)偉，陳立秋.江口水電站橢圓型雙曲拱壩設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011（6）：33-38.

作者簡(jiǎn)介：黃先優(yōu)（1988-），男，貴州錦屏，侗族，本科，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。