江口水电站椭圆型双曲拱坝设计特点

2011-02-27李润伟陈立秋

水利与建筑工程学报 2011年6期

李润伟,陈立秋

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春130021)

1 工程概况

江口水电站是一座以发电为主的综合利用工程,位于重庆市武隆县江口镇芙蓉江河口以上约2 km处。水库正常蓄水位为300.00m,总库容为5.05×108m3,总装机300 MW。工程规模为大(2)型,大坝及泄洪建筑物为2级建筑物。

江口水电站工程主要由双曲拱坝、坝身泄水中孔、表孔、坝后水垫塘、发电引水隧洞、地下厂房及GIS开关站等组成。大坝为椭圆型双曲拱坝,最大坝高140.00 m,坝基及两岸采用灌浆帷幕防渗。泄洪建筑物采用5个表孔和4个中孔联合泄洪。坝后为水垫塘消能,水垫塘长165.00 m,底宽80.00 m,底板顶高程173.00 m,水垫塘末端设二道坝,顶高程为182.50 m。引水发电系统位于大坝左岸,采用单机单洞的布置方式,发电厂房为地下厂房,装机3台,单机容量100MW。

在技施设计阶段,对拱坝体形等问题进行了一系列的优化设计,最后选定椭圆体型,不仅节省了工程投资,同时也为加快工程进度创造了良好的条件。该工程2000年4月开始大坝基础开挖,2002年12月下闸蓄水,2005年1月通过竣工验收。目前大坝已安全运行6年多,坝体运行正常。

2 拱坝布置

大坝为混凝土双曲拱坝,最大坝高140.00m,坝顶高程305.00 m,坝顶中心线弧长为380.71 m,拱冠梁剖面坝顶宽度6.00 m,坝底宽度26.94 m,坝体弧高比2.82,厚高比0.192。坝体共布置20条横缝,共21个坝段,每个泄洪坝段长21.00 m,每个挡水坝段长18.00 m,横缝为铅直缝,横缝面上设置梯形铅直键槽,坝体不设施工纵缝,采用通仓浇筑。结合坝体应力计算成果、坝基的地质地形条件及结构要求,将坝体混凝土分为2个区,大坝250.00 m高程以下的坝基高应力区部位采用C30混凝土,其余部位采用C25混凝土。在坝体内部设置4层纵向水平廊道,沿两岸坝基设置基础廊道,在15#坝段坝体下游侧布置电梯井,坝后设置两层交通桥。在坝体上游侧设置排水管,渗水经各层纵向廊道排入左岸排水平洞内的集水井。横缝上游侧设一道铜止水片及一道塑料止水片(兼作止浆片),坝体横缝下游设一道塑料止水片(兼作止浆片)。大坝平面布置见图1。

图1 大坝平面布置图

3 设计特点

3.1 拱坝体形优化

江口拱坝最大坝高140.00 m,顶拱中心角74.93°,最大中心角92.79°,拱坝厚高比为0.192,为薄拱坝,大坝水平拱圈为椭圆线型,是目前国内最高的椭圆型双曲拱坝。大坝原设计报告中,拱坝采用抛物线体形,基本体形拱坝混凝土方量79.87×104m3。在技施设计阶段,分别对抛物线、椭圆、统一二次曲线等三种线型的拱坝体形进行优化。在应力水平基本相当的情况下,三种线型拱坝优化方案的坝体体积分别为:抛物线拱坝61.00×104m3,椭圆拱坝57.30×104m3,统一二次曲线拱坝53.40×104m3。从坝体体积看,抛物线拱坝体积最大,统一二次曲线拱坝体积最小,椭圆拱坝较抛物线拱坝节省6.1%,统一二次曲线型拱坝较椭圆型拱坝节省6.8%。从水平拱圈的形式看,前两种线型的拱坝坝体均为单一的线型,即抛物线或椭圆,而统一二次曲线拱坝为椭圆或双曲线的混合线型,体形参数较为复杂。经过经济技术比较,选定椭圆曲线作为江口拱坝的最终拱形,大坝混凝土方量比原设计减少28%(原设计的抛物线拱坝与优化设计的抛物线拱坝采用的不是一个计算程序,也不是同一个体形),土石方开挖量比原设计减少约40.00×104m3,减少了38%,同时,因工程量的节省缩短工期约半年,取得了显著的经济效益。详见参考文献[1]。

拱坝体形设计比较复杂,且采用的椭圆比抛物线设计变量多8个,人工设计难以求得最优方案,目前,多数拱坝计算程序难以达到优化目的,设计人员在可靠的拱坝优化理论指导下,采用了中国水利水电科学研究院开发的“拱坝体形优化程序(ADASO)”进行优化设计,取得了显著的效果。在国内已建的拱坝中,江口拱坝是采用“拱坝体形优化程序”,由计算机选定的最高的拱坝,拱坝体形优化过程仅需要一个星期,为短时间内完成拱坝体形优化探索出一条新路,促进了水电建设中设计工作的变革和革新。ADASO程序以坝体的体积作为目标函数,同时将几何约束及应力约束等作为约束函数,对拱坝体形进行优化,寻求理想的坝体体形。拱坝体形优化设计的几何约束条件主要有:坝顶厚度、坝体上下游面倒悬度、拱圈半中心角、拱圈中心角、应力约束等条件。由于拱坝的地质条件是影响坝肩抗滑稳定的重要因素,而地质条件又难以准确地反映在程序中,因此,需要根据优化选定的拱坝体形,进行坝肩抗滑稳定复核验算。拱坝悬臂梁剖面见图2,拱圈平切剖面见图3。

由于江口拱坝体形在平面上为椭圆形,在铅直方向为三次曲线,拱坝水平拱圈为变厚拱,使坝体成为一个异常复杂的的空间壳体,这给拱坝的结构布置带来很大困难,增加了设计难度。设计人员经过了大量的探索,自行编制了坝体坐标计算程序,采用计算机CAD辅助设计,成功地解决了这一难题,提高了设计工作效率,为短时间内完成拱坝设计奠定了基础。

图2 拱坝悬臂梁剖面示意图

图3 拱圈平切剖面示意图

为了进一步印证拱坝的应力状况,又采用了拱梁分载法程序SDTL及三维有限元程序ADAP进行了坝体应力分析。经分析,上述三种软件计算成果的变化规律较为接近,分载法程序计算的坝体最大主拉、主压应力均满足规范要求。有限元法计算的坝体压应力均满足分载法应力控制标准的要求,坝体个别点的拉应力超过了分载法的应力控制标准,但最多仅有两点。坝体的最大拉应力控制点基本在角缘附近,主要是由于有限元计算的角缘应力集中影响,因此,优化选定的拱坝体形是可信的。

设计人员不拘于国内已建高拱坝多采用抛物线及多心圆体形,开拓性地选用椭圆体形,设计达到国内较高水平,根据江口椭圆拱坝的成功经验,我国近十几年来椭圆拱坝逐渐地发展起来了,相继又建成了藤子沟、龙江、落脚河、老江底、黄花寨等一系列的椭圆混凝土拱坝。重庆江口椭圆拱坝的成功建成,对丰富我国拱坝线型、推动我国椭圆拱坝的发展、节约投资都具有重要的意义。国内已建椭圆拱坝见表1。

表1 国内已建椭圆拱坝统计表

3.2 坝肩抗滑稳定分析

江口拱坝基础的地质条件复杂,分布有断层、裂隙及软弱夹层,根据这些构造的产状分析,存在构成多种不利滑动楔体的可能性。另外,软弱夹层对坝肩的变形稳定也有一定的影响。因此,如何处理好坝肩的抗滑稳定及变形稳定成为拱坝设计的重中之重。经分析,可能的滑动块体的底滑面主要为断层及夹层,侧滑面主要为裂隙面,滑动模式主要分为有尾块及无尾块两种。设计采用刚体极限平衡法,对坝肩可能的滑动块体进行三维抗滑稳定分析,同时对坝基的主要软弱夹层进行了变形分析。根据分析成果以及设计人员丰富的设计经验,对基础处理进行了优化设计,对影响坝肩稳定的夹层进行了混凝土网格置换处理,成功地解决了坝肩稳定问题。置换混凝土的工程量为1.05×104m3,比原初步设计节约了1.65×104m3,取得了显著的经济效益。坝基夹层混凝土网格置换典型处理见图4。

3.3 基础处理

江口坝址为岩溶地区,地层主要为寒武系上统毛田组∈3m和奥陶系下统南津关组(O11n～O51n),岩性以灰岩和白云岩为主,夹白云质页岩和含灰质串珠体页岩。坝址区断层不发育,数量不多,规模不大。∈3m～O1n层中揭露有软弱夹层,数量较多,最大厚度为1.4 m。坝基范围内有大小不同的溶洞分布,溶洞面积一般为2 m2～10 m2。

图4 右岸515～513#夹层混凝土网格置换处理示意图

对于坝基出露的断层、及规模较小的夹层采用浅挖,回填混凝土堵塞处理。结合坝肩抗滑稳定、变形稳定分析,对于规模相对较大的 508#、518#、513#、404#、517#五条夹层进行混凝土置换处理。置换洞根据夹层情况,在铅直方向布置两层或三层,层与层之间设斜井连接,形成空间网格。置换洞洞径为3.00 m～3.50 m,马蹄形断面,回填混凝土强度等级为C20,并掺入氧化镁,掺量为水泥用量的5%～9%,并对洞顶进行回填灌浆。溶洞一般分布在坝基以下7 m～8 m范围,处理方法为先将溶洞内破碎的岩石及夹泥挖除,然后采用膨胀混凝土回填,膨胀剂采用氧化镁,掺量为水泥用量的5%,对于洞内无法回填混凝土的个别部位埋设灌浆管,进行回填灌浆,回填灌浆压力为0.5 MPa。坝基中最大的溶洞为K8溶洞,主要分布在4#～6#坝段基础面以下32 m,溶洞顶部高程168 m,底部高程132 m。沿帷幕线方向长度26 m～28 m,洞内主要充填物为泥、砂、砾石和其它碎屑物质,砂层最大厚度约20 m,顶部有较大的空腔。根据现场的实际情况,对K8溶洞主要采取高压灌浆(水泥沙浆及水泥浆)处理,主帷幕灌浆压力为2MPa,加强帷幕灌浆压力为5 MPa,加强帷幕深度与主帷幕相同,处理该部位水泥用量达1.10×104t。K8溶洞范围大,施工难度高,为水电工程所罕见。溶洞处理加固了地基,并且防渗效果很好。详见参考文献[2]。

坝基及两岸山体防渗主要为防渗帷幕,防渗帷幕标准为基岩透水率≤1～3Lu。在270 m高程以下采用双排帷幕,在270 m以上采用单排帷幕,帷幕后设有排水孔。帷幕灌浆排距为0.8 m,基本孔距为2.0m,共分三序孔。在左、右岸305m及232 m高程分别布置两层灌浆平洞,在左岸170 m高程布置一层排水平洞。因地下厂房位于相对隔水层的页岩区下游,因此,技施设计中,取消了厂房前的防渗帷幕。坝基及地下厂房灌浆帷幕优化设计共节省工程量约3×104m3。据观测资料,地下厂房渗漏量仅为0.66 L/s,这说明厂房上游的页岩层实际起到了相对隔水层的作用,优化设计取消地下厂房帷幕是正确的。

3.4 泄洪消能系统

泄洪建筑物采用5个表孔和4个中孔联合泄洪,表孔为开敞式,堰顶高程285.5 m,孔口尺寸为12 m×14.5 m(宽×高),中孔为有压流,底板高程232 m,出口尺寸为6 m×7m(宽×高)。坝后为水垫塘消能,水垫塘长165 m,底宽80 m。底板顶高程173 m,底板厚度3 m。边墙顶高程为220 m,墙高47 m。水垫塘末端设二道坝,顶高程为182.5 m,顶宽3 m。

江口坝址河谷狭窄、水头高、洪水流量较大,校核洪水泄量14 580 m3/s,经水工模型试验,坝体采用5个表孔和4个中孔联合泄洪。表孔出口采用扩散式跌流消能,中孔出口采用收缩式挑流,窄缝消能。下泄水流横向扩散,纵向拉开,避免了能量集中,减小了水垫塘底板的脉动压力,成功地解决了大泄量的泄洪、消能问题。

原初步设计中,泄洪中孔的洞身段采用钢衬,进口设平板检修门,出口设弧形工作门挡水。技施设计中,设计对中孔的运用和结构进行了优化设计。不泄水时,由施工期临时挡水门灌注混凝土形成的上游平板门挡水;泄水时,先落下弧形工作门,洞内充水,然后再开启弧门泄水。这样,中孔不泄水时,洞身段内无水,因此,取消了钢衬。目前,泄洪消能系统经过三个汛期泄洪的考验,运行情况良好。

3.5 混凝土原材料

江口工程混凝土施工具有施工强度高、温控要求严等特点。施工单位通过采用中热水泥、掺用粉煤灰、减水剂、引气剂、等综合措施,优选出大坝混凝土配合比,不但各项指标满足设计要求,而且具有单位用水量小、水泥用量少、耐久性好等特点。大坝混凝土采用的水泥主要是重庆地维水泥厂及葛洲坝水泥厂的中热硅酸盐水泥,粉煤灰为重庆珞璜电厂的二级粉煤灰,其品质除细度稍大外,其余指标均满足一级粉煤灰的技术要求,外加剂主要为浙江龙游外加剂厂的ZB-1缓凝高效减水剂、贵阳高峡科技公司NF-550缓凝减水剂及河北混凝土外加剂厂DH9引气剂,骨料为人工砂石料,主要成分是灰岩和白云质灰岩。大坝混凝土主要配合比见表 2。经试验可知,粉煤灰掺量在30%～40%为宜。在掺入减水剂和粉煤灰情况下,混凝土的用水量减少约27%,对简化温控措施、防止混凝土的温度裂缝具有重要作用。混凝土中掺入引气剂,严格控制水灰比,使混凝土的含气量控制在2.5±0.5%范围,提高混凝土的抗渗、抗冻等耐久性。与国内类似工程相比,江口大坝混凝土配合比的水泥用量相对较低,减小了水化热,这对混凝土的温控起到了积极的作用。详见参考文献[3]。

经检测,C25、C30大坝混凝土90天龄期的抗压强度分别为32.8 MPa、37.6 MPa,其强度保证率分别为98.9%、97.8%,Cv值分别为 0.11、0.10,这表明大坝混凝土强度优良,均匀性好,大坝混凝土其它各项指标均满足设计要求。坝体混凝土浇筑完成至今,发现的裂缝很少。实践证明,江口大坝混凝土配合比设计是成功的。

3.6 大坝混凝土温控

混凝土坝存在温度裂缝是一个普遍的问题,裂缝对大坝的整体性、耐久性、防渗性有较大的影响,采用合理的温控措施,防止大坝出现温度裂缝是混凝土坝设计的一项重要内容。江口坝址地处中亚热带季风气候区,多年平均温度17.3℃,大坝为薄拱坝,大坝混凝土温控尤为重要。设计采用有限元程序SimuDam进行了温度场及应力场的仿真计算,共计算了10种温控方案,为大坝混凝土的温控提供了理论依据。江口拱坝的混凝土温控设计为混凝土坝建设积累了很多经验,大坝混凝土温控措施主要有:浇筑层厚度基础约束区为1.5 m,非约束区3 m;间歇时间一般为5～7天;采用制冷工艺,控制浇筑温度,预冷方式主要采用骨料堆料场降温、冷水拌和、加冰片、风冷粗骨料、水冷粗骨料等单项或多项综合措施;控制内外温差,加强表面保护,在坝体内埋设冷却水管,表面洒水养护,高温季节喷雾降温,冬季采用高压聚苯乙烯泡沫塑料保温;混凝土采用中热水泥、掺用粉煤灰、降低水泥用量等措施降低水化热。江口坝体混凝土浇筑温度及允许最高温度见表3、表4。详见参考文献[4]。

表3 各月坝体混凝土浇筑温度表单位:℃

江口坝体混凝土浇筑完成至今,主要发现四条裂缝。在11#坝段168.50 m高程有一条表面裂缝,是由于混凝土龄期未到,基础固结灌浆引起的抬动缝;在10#坝段232.00 m高程下游闸墩出现两条表面裂缝;在3#坝段294.50 m高程有一上下游惯通的水平裂缝,主要是由于施工中突然停电,再次施工时处理不当形成的施工冷缝。裂缝部位经处理后,没有发现扩展情况。江口拱坝坝身出现的温度裂缝之少,在高薄拱坝建设中是极为罕见的。实践证明,江口拱坝混凝土温控设计是成功的。

表4 坝体设计允许最高温度表单位:℃

4 原型观测资料对比分析

截止2003年末,大坝经历了2003年9月末的上游水位EL298m+温升和2003年12月末的上游水位EL299.7m+温降两种工况下的运行,均接近正常蓄水位300 m,大坝的观测数据可以作为验证设计的成果。

根据外部变形观测资料分析,大坝整体水平位移符合变化规律,在正常蓄水位温降情况,拱冠梁处大坝水平位移为34.45 mm,比设计值61.50 mm小44%,其主要原因可能是由于坝体混凝土的实际弹模比设计值大所致(机口试件90天龄期弹模平均值为46.30 GPa,拱坝应力计算时,坝体混凝土弹模取值为20 GPa)。水库下闸蓄水一年以后,上游220 m高程以下坝面温度稳定在11℃左右,坝体温度变幅均接近设计值。坝体横缝在混凝土浇筑前期和坝体高温期为闭合,随着坝体通入冷却水,横缝逐渐张开,一般为1 mm～2 mm,最大为5.7 mm。下闸蓄水后,大坝横缝开合度变化均小于1 mm,从整体看,大坝横缝基本处于均匀压缩状态。根据坝基扬压力观测资料,坝基扬压力一般远小于帷幕灌浆前压力,扬压力折减系数一般均小于0.3,多数小于0.1,说明大坝防渗排水设施的效果较好。目前,两岸渗流形态已基本稳定,未见绕坝渗漏,坝基渗漏总量仅为2.85 L/s,说明坝基防渗效果很好。坝体245 m高程以上廊道内排水孔为干燥的,245 m高程以下廊道内的个别排水孔有湿润现象,说明坝体混凝土防渗效果较好。

经原型观测资料对比分析,大坝满足设计要求。江口拱坝已运行六年多的时间,且经过了六个汛期洪水的考验。目前,大坝运行状态是安全的、正常的。