碾壓混凝土雙曲拱壩設(shè)計(jì)研究

趙青，張敏，趙勤霞

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程學(xué)院 水利水電建筑工程教研室，河南 開封 475004；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程學(xué)院 安全技術(shù)與管理教研室，河南 開封 475004；3.青海大學(xué)，青海 西寧 810016）

1 工程概況

江西某水電站流域面積208km2。正常的蓄水位為735m，最大壩高近140m（在實(shí)施過程中如果壩基的條件較為優(yōu)秀，壩基高度則整體抬高7m，故實(shí)際最大壩高達(dá)130m），其中總庫容將近3000 萬方，調(diào)節(jié)庫容1600 萬方。水庫總裝機(jī)容量達(dá)50MW，保證輸出5.2MW，均年發(fā)電量1.02 億千瓦時(shí)。水電站之樞紐工程達(dá)到二等中小型工程的規(guī)模[1]。由于該水電站的壩高超過100m，故建筑物提高一級級別到二級。按照每一百年一次遭受洪水、五百年一次遭受洪水的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)和校正考核泄水和修建大壩的結(jié)構(gòu)物；按照每三十年就要遭受一次洪水的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)出消能和防沖擊性建筑。

2 拱壩體型設(shè)計(jì)

2.1 拱壩布置

該水電站的主要建筑物由GIS 樓和發(fā)電引水隧洞等組件組成。用來引水發(fā)電的全隧洞長近6km，引用流量21m3/s，其中安置了直徑為9 米的簡便防滲調(diào)壓井。水電站堤身頂拱最大角82°，頂拱長120m，拱冠頂厚6m，底厚23m，高厚比達(dá)到0.176。壩身采用泄洪表孔，布置三孔以寬度和高度分別為11m 和8m 的表孔鑄于堤身，頂高730m，采用為弧形的控制閘門，壩頂平面結(jié)構(gòu)布置見圖1。采用窯洞方案開挖壩肩，洞頂高750m，頂寬10m 左右，洞深約14m。

圖1 壩平面布置圖

2.2 拱壩計(jì)算方法

本工程中進(jìn)行計(jì)算時(shí)，利用了拱壩試載法程序靜動(dòng)分析法（中國水利科學(xué)研究院抗震結(jié)構(gòu)中心），分載法的計(jì)算原理為在拱壩中選取一些雙寬懸臂壩梁和雙高水平壩拱，把水的荷載給若干梁、拱單元均勻分配，使得梁與拱的交界線位置在變位一致的指定方向[2]。在變位中，由于變位并沒有完全相同，故要改變徑向變位，再重新調(diào)控改變拱梁的負(fù)荷，直至拱梁的各個(gè)共軛點(diǎn)徑向變位達(dá)到基本完全相同，徑向變位值增加到MAX 時(shí)，各個(gè)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)變位和其他各點(diǎn)的切向變位不會(huì)湊巧相同，想使兩種變位的切向、扭轉(zhuǎn)角變位也達(dá)到一致，就需要在拱和梁之間增添內(nèi)力促，接著改變整合徑向負(fù)荷的調(diào)控，像這樣反復(fù)地計(jì)算，直到相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)的徑向、切向和角變位基本一致方可以得出計(jì)算結(jié)果。

2.3 拱壩體型選擇

拱壩的體形我們一共擬定了三種方案來進(jìn)行施工，分別是拋物線拱、三心圓拱和五心圓拱，通過對以上詳細(xì)數(shù)據(jù)的表格我們可以進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的對比分析，從而能夠清晰地規(guī)劃出三個(gè)線形的單曲拱壩方案中更優(yōu)化的一部分[3]。接下來反復(fù)調(diào)度三種已選擇的拱壩方案中——中心角、拱端厚度和半徑等數(shù)據(jù)，可以得出如下：①上游面最大拉應(yīng)力；②上游面最大壓應(yīng)力；③下游面最大拉應(yīng)力；④下游面最大壓應(yīng)力情況等四種負(fù)荷數(shù)據(jù)[4]。詳情見壩型應(yīng)力數(shù)據(jù)計(jì)算表，如下表1 所示。

表1 各個(gè)壩型應(yīng)力數(shù)據(jù)計(jì)算成果表

根據(jù)上表所示，拋物線拱方案與三心、五心圓拱之類多心圓拱方案的上下游面之間都能滿足拉應(yīng)力設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)定一點(diǎn)五兆帕），最大拉應(yīng)力上下浮動(dòng)水平較小，但很明顯，比起來拋物線拱方案，多心圓拱方案的壓應(yīng)力大許多，而多心圓拱方案的上游面在右岸拱端高程650m 處的部位[5]，MAX、MIN 值分別為7.45MPa、7.06MPa，與6MPa 的控制標(biāo)準(zhǔn)不符合。故最后得出的結(jié)論為拋物線拱方案最符合本次施工規(guī)范要求。

2.4 拋物線拱壩型參數(shù)

水電站大壩拱冠梁和水平拱圈都采用了拋物線，拱冠梁——下游曲線為拋物線方程，這些方程為：

下游面Y下=0.00438257382943×Z2-2.8592364326238944×Z+484.948326632544384

上游面Y上=0.00487632865623×Z2-1.837862342334774×Z+605.7549365325472384

中面Y中=0.003724686453274×Z2-2.7832462547542776×Z+667.36243268737883284

拱冠梁二次方程圖像曲線的開口向下，拱圈拋物線的參數(shù)方程為：，R 同上，為中心角。二次方程，其中B 為拱冠的凸度，R 為x=0 處的曲率半徑。表2為左側(cè)拱參數(shù)拋物線，表3 為右側(cè)拱參數(shù)拋物線[6]。

表2 防滲墻性能檢測結(jié)果

表3 二次方程右側(cè)拱參數(shù)

3 大壩外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 壩體材料分區(qū)設(shè)計(jì)

我們知道混凝土大壩對壩體應(yīng)力以及溫控等諸多方面都有明確的施工規(guī)范要求，以這些要求為準(zhǔn)則，可以將混凝土進(jìn)行如下分區(qū)（見上方拱壩剖面圖2）：

圖2 拱壩剖面圖

（1）大壩頂層壩面690m 以下5m 厚、670m 以上3m 厚的防滲層采用C0805 級碾壓混凝土，防滲等級W1005。

（2）電站壩主體部分670m 以下采用C0805 型混凝土，670m 以上使用C0805 型混凝土。

（3）閘墩采用C0805 型號混凝土澆筑；由于其表孔雙寬水流量非常大、且流動(dòng)速度極快，[7]在溢流面采用1m 厚的C0805 型號混凝土，具有抗沖耐磨的效果。

3.2 壩體分縫設(shè)計(jì)

結(jié)合我們水電站大壩河谷U 型特點(diǎn)，建立起大壩的基面。600m 高程大壩拱圈的弧長只有不到35m，630m 拱圈弧長63m，而壩頂弧長將近120m，必要分析圍巖強(qiáng)度擁有堤身未自然降溫時(shí)即可引水發(fā)電的性能，而且擁有層間破碎帶碾壓式施工，推進(jìn)工作實(shí)施效率進(jìn)程的特質(zhì)，該縫的元素構(gòu)成精簡，工程工藝進(jìn)展容易得到保證。本水電站拱壩安排一號、二號兩條誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫從650m 到頂部，650m 以下堤身全部灌溉，一號、二號兩條縫將650m 以上堤身分為三段。

3.3 壩體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本次工程大壩最高者690m，屬于大中壩，依據(jù)《混凝土雙曲拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL483-2020)的標(biāo)準(zhǔn)。一比零點(diǎn)五的強(qiáng)風(fēng)化地層結(jié)構(gòu)，1：1 土質(zhì)邊坡，對地質(zhì)條件不達(dá)標(biāo)的區(qū)域發(fā)掘邊坡采用錨以及網(wǎng)，或噴連結(jié)支持解決。水電站壩基發(fā)掘顯示出的薄脆中間層區(qū)域進(jìn)行非整體的深度發(fā)掘重新填置混凝土。[8]

鞏固灌漿。在水電站壩基開始施工的過程中，工程爆破會(huì)有一定的概率使巖體受到巨震而松動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致其承載力的降低，而且具有一系列縫隙往堤身巖體內(nèi)部貫通的可能性。對堤身巖石層作鞏固灌溉，優(yōu)化基礎(chǔ)載重性能，是保證堤身穩(wěn)固的必要條件。鞏固灌漿孔在全體壩基面分布，沿堤身底部方向呈雪花狀按六排安置，排距3m，大壩基礎(chǔ)橫向孔間隔距離3m，深8m，灌漿壓力控制在0.6MPa 左右。[9]

防滲處理。根據(jù)最短標(biāo)準(zhǔn)敲定兩岸防滲帷幕線，堤身段灌漿中間區(qū)域弧線布置，孔距兩米，大壩基礎(chǔ)邊界灌漿工程在灌漿回廊中按2km 高程以下進(jìn)行，而2km高程以上的從堤身打孔進(jìn)行，帷幕灌漿MAX 孔深近70m。在灌漿平洞處重點(diǎn)針對兩邊的防滲帷幕開始修筑，平洞的規(guī)模構(gòu)建，是寬和高分別為3m、3.5m 的洞型隧道洞，由基巖參照標(biāo)準(zhǔn)可規(guī)劃，本工程將拆成兩期完成右側(cè)灌漿，第一期防漏界跨越第三脆裂帶，平洞長近200m，雙排置換，第二期工程防漏界限位于同規(guī)模溢洪道與常規(guī)庫水位交界處，一平洞長近400m，左側(cè)總長578m，中心線角度東14°，灌漿孔距兩米，雙排布置，孔深MAX70m；右側(cè)隧道洞長258m，中心線角度西54°，灌漿孔距2m，雙排布置，孔深MAX66m。

4 結(jié)論

總體而言，雙曲碾壓混凝土拱壩方案可以最為理想地滿足大壩地形的不對稱，拉應(yīng)力所處位置俱到，堤壩地上、下游面MAX 應(yīng)力都能達(dá)到文件標(biāo)準(zhǔn)，所需工作量縮減到較小值，工程耗費(fèi)財(cái)力不大，性價(jià)比高。