龍洞灣水庫(kù)大壩壩型比選及結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析

雷雙超，婁詩(shī)建，肖 玲

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

龍洞灣水庫(kù)工程位于務(wù)川縣浞水鎮(zhèn)長(zhǎng)江村境內(nèi)，地處烏江二級(jí)支流、芙蓉江一級(jí)支流浞水河上游，距浞水集鎮(zhèn)4.0km，距遵義中心城區(qū)290.0km，現(xiàn)有鄉(xiāng)村公路從壩址經(jīng)過(guò)。水庫(kù)壩址以上流域面積3.5km2，主河道長(zhǎng)2.75km，平均比降135.6‰，多年平均徑流量263萬(wàn)m3。工程主要任務(wù)為向分水集鎮(zhèn)、浞水集鎮(zhèn)及其周邊長(zhǎng)江村、石筍村供水，主要解決分水鎮(zhèn)區(qū)、浞水鎮(zhèn)區(qū)綜合用水問(wèn)題，同時(shí)覆蓋解決周邊長(zhǎng)江村、石筍村人畜用水問(wèn)題。水庫(kù)正常蓄水位913.00m，相應(yīng)庫(kù)容155萬(wàn)m3，總庫(kù)容174萬(wàn)m3，為小(1)型，工程等別為Ⅳ等。工程總工期24個(gè)月，總投資2507.39萬(wàn)元。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

龍洞灣水庫(kù)壩址為基本對(duì)稱“V”型橫向河谷結(jié)構(gòu)，河床覆蓋層厚1.0～2.5m；壩基肩出露地層巖性以S1s￣2中至厚層含泥質(zhì)條帶灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r中硬巖為主，左岸壩肩897.0m左右高程以上為S2h￣頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖軟質(zhì)巖。壩址區(qū)巖層產(chǎn)狀為N15°E/NW∠15～16°，整體傾上游偏左岸，產(chǎn)狀總體穩(wěn)定。受區(qū)域斷層影響，裂隙較發(fā)育，地表溶蝕較強(qiáng)烈，巖體風(fēng)化不均一。左壩肩上部出露巖體不均一，S2h￣頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖軟巖與S1s￣2灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r中硬巖存在變形差異，局部溶蝕破碎帶等存在壓縮變形和不均勻沉降等不良工程問(wèn)題，故需進(jìn)行擴(kuò)挖回填及對(duì)壩基、壩肩地基巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理[1]。兩壩肩邊坡由于風(fēng)化及卸荷裂隙局部較深，因裂隙切割及開(kāi)挖影響，存在不穩(wěn)定塊體，應(yīng)選擇合理開(kāi)挖坡比進(jìn)行適當(dāng)放坡，并對(duì)邊坡進(jìn)行相應(yīng)的臨時(shí)及永久支護(hù)處理，同時(shí)對(duì)左岸壩肩泥巖邊坡及時(shí)進(jìn)行封閉保護(hù)處理。水庫(kù)蓄水水位抬升后，存在沿壩址左右岸強(qiáng)風(fēng)化帶和溶蝕裂隙帶及右岸巖溶管道向下游繞壩基肩滲漏問(wèn)題，對(duì)大壩安全及水庫(kù)蓄水不利，需進(jìn)行防滲處理[2- 3]。兩岸地形總體較陡峻，起伏較大，碳酸鹽巖分布帶以陡坡或陡崖為主，地形和地質(zhì)條件較適合修建堆石混凝土拱壩和混凝土面板堆石壩。

3 壩型比選及大壩樞紐布置

3.1 壩型優(yōu)化比選

在勘探線附近優(yōu)選堆石混凝土拱壩和混凝土面板堆石壩進(jìn)行比較，兩種壩型均能適應(yīng)壩址處的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。壩址區(qū)地形地質(zhì)條件對(duì)兩壩型的選擇無(wú)明顯控制決定性因素，兩者相差不大，各有優(yōu)劣，即：①壩基處理方面：壩址河床分布地層為S1s￣2中至厚層含泥質(zhì)條帶灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r，覆蓋層厚1.0～2.5m。對(duì)于拱壩而言，壩基肩嵌深較大，需將壩基置于該層弱風(fēng)化中部，對(duì)局部溶蝕帶及左壩肩S2h頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖進(jìn)行深挖回填混凝土處理，同時(shí)對(duì)壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理后可滿足要求。而對(duì)于混凝土面板堆石壩而言，僅須將主次堆石區(qū)基面覆蓋層清除、將上游趾板基礎(chǔ)及低壓縮區(qū)置于弱風(fēng)化巖體上，對(duì)趾板基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理后即可滿足要求，面板堆石壩略優(yōu)于拱壩[4]。②邊坡工程問(wèn)題：由于壩址地形狹窄，兩岸坡地形總體較陡，兩種壩型均存在高邊坡問(wèn)題，邊坡開(kāi)挖均需分臺(tái)階并結(jié)合適當(dāng)坡比放坡開(kāi)挖后采取相應(yīng)的支護(hù)處理措施。但受壩址兩岸卸荷帶破碎巖體影響，面板壩左右岸趾板基礎(chǔ)斜向開(kāi)挖，內(nèi)側(cè)切坡范圍較大，施工開(kāi)挖難度大，邊坡處理工作量相對(duì)較大，拱壩優(yōu)于混凝土面板堆石板。③泄洪建筑物布置方面：由于壩址兩岸地形總體較陡，面板堆石壩兩岸坡泄洪設(shè)施布置難度大，邊坡開(kāi)挖高度大，邊坡穩(wěn)定問(wèn)題較突出。而拱壩采用壩頂洪道、挑流消能，拱壩優(yōu)于面板堆石壩。④施工工藝及工程投資方面：面板堆石壩填筑方量大，工藝繁瑣，工期長(zhǎng)。而拱壩開(kāi)挖填筑方量小，更經(jīng)濟(jì)且工期短，拱壩優(yōu)于面板堆石板。

表1 大壩壩頂高程計(jì)算成果

綜上所述，雖然在壩基處理上拱壩較面板堆石壩略復(fù)雜、難度略大，但在地形地質(zhì)條件適應(yīng)性、樞紐布置靈活性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面均占較大優(yōu)勢(shì)，故優(yōu)選堆石混凝土拱壩壩型。

3.2 大壩樞紐布置

大壩為堆石混凝土單圓心單曲拱壩，中心線方位角為N85.50°W，頂拱中心角為91.0°，其中左頂拱半中心角為45.7°，右頂拱半中心角為45.3°，拱圈外半徑為110.0m。壩頂高程916.00m，壩頂寬5.0m，壩軸線長(zhǎng)174.7m。壩基置于弱風(fēng)化基巖中、上部，建基面高程868.00(起拱高程870.00m)，最大壩高48.0m，最大壩底厚13.5m，厚高比0.293。右壩肩設(shè)置堆石混凝土重力墩，頂部高程916.00m，建基面高程900.00m，上游坡面鉛直，下游坡面坡比為1∶0.5，墩長(zhǎng)35.4m、頂寬7.0m、最大底寬16.0m，最大墩高16.0m。大壩主體材料采用C9015一級(jí)配堆石混凝土，抗?jié)B等級(jí)W6，抗凍等級(jí)F50。上、下游壩面均采用0.5m×0.3m×0.3m(長(zhǎng)×寬×高)的C15混凝土預(yù)制塊砌筑，按一丁一順進(jìn)行布置。

4 拱壩壩頂高程及結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析

4.1 大壩壩頂高程確定

龍洞灣水庫(kù)校核洪水位915.00m，正常蓄水位913.00m。經(jīng)量算水庫(kù)計(jì)算吹程D=0.6km，據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)，多年平均最大風(fēng)速10.6m/s。根據(jù)SL 282—2003[5]，壩頂高程為水庫(kù)靜水位加壩頂超高。按正常運(yùn)用(正常蓄水位913.00m)和非常運(yùn)用(校核洪水位915.00m)兩種條件，計(jì)算得大壩壩頂高程成果，見(jiàn)表1。

由表1可知，校核洪水位915.00m非常運(yùn)用條件下，壩頂安全超高為0.63m，壩頂高程計(jì)算值為915.63m。為確保拱壩運(yùn)行安全，設(shè)計(jì)確定壩頂高程為916.00m。

4.2 大壩應(yīng)力計(jì)算分析

拱壩是一個(gè)變厚度、變曲率的空間彈性殼體，其復(fù)雜多變的幾何形狀和邊界條件，很難用嚴(yán)格理論計(jì)算來(lái)掌握壩體應(yīng)力分布狀況。為避免繁瑣理論計(jì)算，工程中廣泛采用多拱梁分載法，將復(fù)雜彈性殼體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)力學(xué)的桿件計(jì)算問(wèn)題[6]。鑒于此，龍洞灣水庫(kù)拱壩采用7拱18梁的網(wǎng)格布置進(jìn)行壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，如圖1所示。

圖1 拱壩7拱18梁應(yīng)力分析網(wǎng)絡(luò)

4.2.1 壩體設(shè)計(jì)主要荷載指標(biāo)

(1)水位、沙及地震荷載

正常蓄水位913.00m，相應(yīng)下游水位872.10m；設(shè)計(jì)洪水位914.54m，相應(yīng)下游水位872.82m；校核洪水位915.00m，相應(yīng)下游水位873.30m；死水位883.00m，相應(yīng)下游水位872.10m。

表2 壩體各層拱圈均勻溫度計(jì)算成果

表3 拱壩應(yīng)力分析成果 單位：MPa

淤沙高程879.66m。工程區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

(2)填筑材料特性

壩體C15堆石混凝土，埋石率為55%，埋石率和砌石壩相當(dāng)，故仍參照SL 25—2006《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》選取參數(shù)：彈性模量為7.0GPa；線膨脹系數(shù)為7×10-6/℃；泊松比為0.20。

(3)溫度

庫(kù)區(qū)多年平均氣溫15.5℃，多年平均最低月(1月)氣溫4.7℃，多年平均最高月(7月)氣溫26.0℃，日照影響2℃。由于壩體施工采取整體上升不設(shè)縫，每層拱圈施工完成即封拱，且壩體每層拱圈、壩段施工時(shí)間跨度較長(zhǎng)，各時(shí)段施工溫度不盡相同[7]。各層拱圈均勻溫度按美國(guó)內(nèi)政部肯務(wù)局經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算、復(fù)核，即：

(1)

式中，T—均勻溫度，℃；L—壩體厚度，m。

計(jì)算得各高程拱圈的溫度荷載計(jì)算成果，見(jiàn)表2。

4.2.2 荷載組合

設(shè)計(jì)選擇4種基本組合和2種特殊組合進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算[8]，即：①基本組合1：正常蓄水位913.00m與相應(yīng)下游水位872.10m+泥沙壓力(淤沙高程879.66m)+自重+揚(yáng)壓力+設(shè)計(jì)正常溫降。②基本組合2：正常蓄水位913.00m與相應(yīng)下游水位872.10m+泥沙壓力(淤沙高程879.66m)+自重+揚(yáng)壓力+設(shè)計(jì)正常溫升。③基本組合3：設(shè)計(jì)洪水位914.54與相應(yīng)下游水位872.82m+泥沙壓力(淤沙高程879.66m)+自重+揚(yáng)壓力+設(shè)計(jì)正常溫升。④基本組合4：水庫(kù)死水位883.00m與相應(yīng)下游水位872.10m+泥沙壓力(淤沙高程879.66m)+自重+揚(yáng)壓力+設(shè)計(jì)正常溫升。⑤特殊組合1：校核洪水位915.00m與相應(yīng)下游水位873.30m+泥沙壓力(淤沙高程879.66m)+自重+揚(yáng)壓力+設(shè)計(jì)正常溫升。⑥特殊組合2：施工期度汛水位878.56m與相應(yīng)下游水位872.50m+自重+設(shè)計(jì)正常溫升。

4.2.3 計(jì)算成果分析

壩體應(yīng)力分析采用“ADAO拱壩分析與優(yōu)化軟件”進(jìn)行分析，得各種工況下壩體的最大主壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力計(jì)算成果[9- 10]，見(jiàn)表3。

龍洞灣水庫(kù)拱壩設(shè)計(jì)將壩基、壩肩均嵌入弱風(fēng)化巖體的中、上部。對(duì)于左壩肩898.00m高程以上頁(yè)巖地基、局部破碎巖體及溶槽等采取局部挖除后換填C20混凝土和固結(jié)灌漿等工程措施處理后，各種工況下壩體的最大主壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，基巖承載力也滿足要求。

5 結(jié)論

(1)龍洞灣水庫(kù)壩型選擇過(guò)程中，根據(jù)壩址處的地形地貌和水文地質(zhì)條件，結(jié)合壩基處理、兩岸高邊坡開(kāi)挖支護(hù)、泄洪建筑物布置及施工工藝等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的綜合比選，優(yōu)選地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、樞紐布置靈活和技術(shù)經(jīng)濟(jì)較優(yōu)越的堆石混凝土拱壩壩型。

(2)經(jīng)壩體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，壩頂高程確定為916.00m，最大壩高48.0m。大壩為堆石混凝土單圓心單曲拱壩，主體材料采用C9015一級(jí)配堆石混凝土，上、下游壩面均采用C15混凝土預(yù)制塊砌筑，按一丁一順進(jìn)行布置。

(3)大壩應(yīng)力計(jì)算成果表明：在不同荷載組合下，壩體最大主壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均處于規(guī)范允許范圍內(nèi)，應(yīng)力分布規(guī)律合理。同時(shí)，基巖承載力也滿足要求。