堆石混凝土拱壩樞紐布置及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算分析

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563000)

1 工程概況

風光水庫位于正安縣格林鎮(zhèn)風光村境內(nèi)芙蓉江右岸支流曹溪溝上游河段。壩址上游集雨面積4.62km2，多年平均徑流量298萬m3，設(shè)計洪水標準采用30年一遇，校核洪水標準采用200年一遇。水庫主要由堆石混凝土雙曲拱壩、壩頂泄洪表孔、取水兼放空建筑物等組成。水庫正常蓄水位為688.00m，相應(yīng)庫容131萬m3，水庫總庫容155萬m3。風光水庫是一座為村鎮(zhèn)供水、兼顧農(nóng)田灌溉的Ⅳ等小(1)型水庫工程。

2 壩址地形地質(zhì)條件

風光水庫壩址位于格林橋與張村溝匯口之間狹谷河段，河流順直，河床高程645.00～653.00m，平均比降約2.5%，區(qū)內(nèi)未見跌坎及深槽發(fā)育。河谷深切，壩區(qū)河谷橫斷面整體呈“喇叭口”狀，兩岸地形對稱性好，河谷寬高比約2∶1。兩岸基巖多裸露，局部為第四系殘坡積覆蓋，河床多為第四系沖洪積物覆蓋。壩址區(qū)巖層產(chǎn)狀為N3°～5°W/NE∠41°～46°，整體傾上游微偏左岸，地形狹窄為基本對稱的“V”形橫向河谷結(jié)構(gòu)。兩岸階地不發(fā)育。壩址區(qū)出露地層主要為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群中段(∈2-3ls2)，上段(∈2-3ls3)及第四系(Q)地層，巖體為中厚層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等，巖層傾下上游偏左岸，沿線無大的構(gòu)造發(fā)育。

壩基主要發(fā)育四組裂隙構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，裂隙發(fā)育均以中至陡傾角為主，無緩傾結(jié)構(gòu)面分布。壩基無明顯由緩傾角構(gòu)成底滑面的滑動邊界條件，故淺層滑動主要受控于壩基巖體與壩體的接觸面；壩址兩岸山體較完整，未見順河向斷層發(fā)育，其結(jié)構(gòu)面主要有層面和裂隙兩類，故其抗滑穩(wěn)定決定于巖體本身的強度及裂隙結(jié)構(gòu)面和層面的影響。

3 壩型比選及大壩樞紐布置

3.1 壩型比選

根據(jù)風光水庫工程任務(wù)、建設(shè)規(guī)模等特性，從地形地質(zhì)條件、筑壩材料、施工導流和工程投資等方面進行對比分析[1-2]，優(yōu)選堆石混凝土雙曲拱壩、堆石混凝土重力壩兩種擬定方案，從技術(shù)、經(jīng)濟等方面進行比選。

a.地形地質(zhì)條件。地形狹窄為基本對稱的“V”形橫向河谷結(jié)構(gòu)，河谷寬高比約2∶1，壩基肩巖體以中硬巖為主，壩基肩除裂隙較為發(fā)育外無大的斷層構(gòu)造切割，基巖開挖量較小，適宜建雙曲拱壩。

b.筑壩材料。雙曲拱壩填筑量明顯少于重力壩方案。

c.施工導流。重力壩方案導流洞比拱壩方案導流洞長，臨時工程投資偏大。

d.工程投資。重力壩和雙曲拱壩，其大壩填筑材料相同，但拱壩填筑工程量要少，相應(yīng)工程投資相對較小。另外，貴州遵義地區(qū)已修建大量雙曲拱壩，具有成熟的拱壩施工技術(shù)和豐富的項目管理經(jīng)驗，設(shè)計采用堆石混凝土雙曲拱壩壩型。

3.2 大壩樞紐布置

大壩樞紐工程主要由雙曲拱壩、壩頂溢流表孔、取水兼放空建筑物等組成。水庫正常水位688.00m，設(shè)計洪水位(P=3.33%)689.77m，校核洪水位(P=0.5%)690.15m。壩頂高程691.00m，建基面高程642.50m，最大壩高48.5m，最大壩底厚12.5m，厚高比0.258，壩頂寬度5.0m，拱壩最大中心角91.67°。大壩上、下游壩面采用M10水泥砂漿砌C15混凝土預制塊，上游面設(shè)置厚0.5m的C9015一級配自密實混凝土防滲心墻，大壩采用C9015一級配堆石混凝土。溢流堰堰頂高程688.00m，開敞式自由泄洪。大壩樞紐平面布置見圖1。

4 堆石混凝土雙曲拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 拱壩壩頂高程確定

由調(diào)洪計算成果可知，水庫正常蓄水位688.00m，設(shè)計洪水位689.77m，校核洪水位690.15m，多年平均最大風速12.0m/s，水庫計算吹程D=0.18km。根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》(SL 282—2018、DL 5108—

圖1 大壩樞紐平面布置

1999)推薦公式及荷載組合進行計算[3]，風光水庫雙曲拱壩結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級，安全超高hc為0.4m(正常洪水位)和0.3m(校核洪水位)。計算得大壩平均波浪高h1%為0.35m(正常洪水位)和0.21m(校核洪水位)，波浪高hz最大為0.09m 。壩頂高程分析成果見表1。

表1 雙曲拱壩壩頂高程分析成果 單位：m

由表1可知，校核洪水位690.15m為壩頂高程控制工況，計算壩頂高程為690.71m，設(shè)計取壩頂高程691.00m。

4.2 壩體應(yīng)力分析

由于拱壩是一個空間彈性殼體，很難用單一理論進行分析。為了驗算壩體斷面是否滿足設(shè)計強度要求，設(shè)計采用多拱梁分載法借助計算機對拱壩應(yīng)力進行分析[4]。根據(jù)風光水庫雙曲拱壩結(jié)構(gòu)體型，拱梁分載網(wǎng)格按11拱21梁進行布置(見圖2)。

圖2 11拱21梁拱梁分載網(wǎng)格示意

4.2.1 主要設(shè)計荷載特性參數(shù)

a.荷載組合。風光水庫正常蓄水位688.00m，設(shè)計洪水位689.77m，校核洪水位690.15m。為了準確掌握拱壩壩體和壩基在不同荷載條件下的應(yīng)力和變形情況[5]，設(shè)計選定4種基本荷載組合和2種特殊荷載組合進行分析(見表2)。

表2 壩體應(yīng)力分析荷載組合

b.壩體主要參數(shù)。堆石混凝土的堆石率取0.55，重度為24.6kN/m3，按照《砌石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 25—2006)規(guī)定，C9015堆石混凝土：彈性模量為6.9GPa；線膨脹系數(shù)為7×10-6/℃；泊松比為0.20。

c.溫度。庫區(qū)多年平均氣溫16.30℃，多年平均最低月(1月)氣溫5.50℃，多年平均最高月(7月)氣溫26.20℃；日照影響按2℃計；溫降變幅為10.80℃；設(shè)計正常溫降為12.80℃，溫升變幅為9.90℃；考慮日照影響后，設(shè)計正常溫升11.90℃；庫底水溫因無實測資料，根據(jù)《砌石壩壩設(shè)計規(guī)范》(SL 25—2006)中附錄規(guī)定，取Tkd=8℃；水表面年平均水溫18.30℃；表面水溫年變幅為10.35℃。

4.2.2 計算成果分析

采用“ADAO拱壩分析與優(yōu)化軟件”進行分析[6]，計算成果見表3。

表3 拱梁分載最大主拉和主壓應(yīng)力分析成果

由表3可知，對于壩肩地基、局部破碎巖體及溶槽等采取局部挖除后換填C15混凝土和固結(jié)灌漿處理后，各種工況下壩體的最大主壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均在設(shè)計允許的基本組合壓應(yīng)力(3.75MPa)、特殊組合壓應(yīng)力(4.29MPa)和拉應(yīng)力(1.0MPa)范圍內(nèi)，基巖承載力也滿足要求。

4.3 壩肩穩(wěn)定分析

兩壩肩地層巖性均一性相對較好，未見順河向斷層發(fā)育，其結(jié)構(gòu)面主要有層面和裂隙兩類，故其抗滑穩(wěn)定決定于巖體本身的強度及裂隙結(jié)構(gòu)面和層面的影響。采用豎向切條法分別對分層穩(wěn)定及整體穩(wěn)定進行分析，計算成果見表4。

表4 壩肩穩(wěn)定計算成果

由表4可知，分層穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)為3.90，整體計算最小安全系數(shù)為8.72，左、右壩肩分層穩(wěn)定和整體穩(wěn)定計算成果均大于規(guī)范規(guī)定的基本組合(3)和特殊組合(2.50) 安全系數(shù)指標值，壩肩抗滑穩(wěn)定滿足要求。

5 結(jié) 論

風光水庫壩型選擇中，根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件、筑壩材料、施工導流和工程投資等進行比較分析論證，優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的堆石混凝土雙曲拱壩壩型。

水庫大壩樞紐由堆石混凝土雙曲拱壩、壩頂溢流表孔、取水兼放空建筑物等組成，最大壩高48.50m，壩頂高程為691.00m。采用“ADAO拱壩分析與優(yōu)化軟件”對拱壩應(yīng)力及壩肩穩(wěn)定性進行計算，分析結(jié)果表明：不同荷載組合條件下，大壩應(yīng)力分布均勻，結(jié)構(gòu)整體安全可靠。