基于水库拦蓄坝拱坝设计

杨正猛，廖声海

(贵州省黔东南州水利电力勘察设计院，贵州凯里556000)

基于水库拦蓄坝拱坝设计

杨正猛，廖声海

(贵州省黔东南州水利电力勘察设计院，贵州凯里556000)

水库作为重要的水利工程枢纽，承载着人民日常生活及农业生产的艰巨任务。水库不仅为防汛抗洪调度、确保一方平安做出了巨大贡献，而且兼顾着灌溉、发电、人蓄饮水的重任，稍有不慎则会给国家及人民带来难以预料的灾难，所以保障水库拦蓄坝的安全尤为重要。在水库的设计阶段，确保水库拦蓄坝稳定安全运行，特别是拱坝设计中对水库安全正常运行至关重要。

水库;拦蓄坝;拱坝设计;优化布置;稳定要求;应力计算

0 前言

水库拦蓄坝拱坝是一种应力复杂、受地形地质条件制约较大的一种坝体结构，对拱坝进行合理布置优化设计，是拱坝设计的关键和重要内容。本文介绍了某水库工程在施工设计阶段拱坝优化设计布置措施，从而更好地加强了水库大坝的安全。

1 工程概况

某水库工程位于贵州省东南部，工程以城镇防洪、农田灌溉、供水为主，兼顾发电等一体的水利工程。水库总库容2 481万m3，属中型水库，工程属Ⅲ等工程，主要建筑物(大坝)属Ⅲ等3级建筑物，设计洪水标准为50 a一遇，校核洪水标准为500 a一遇。坝型为三级配 C20混凝土双曲拱坝，设计高程716.20 m，坝高64.2 m，坝顶厚3.6 m，坝底厚15 m，厚高比0.23，坝顶弧长177.01 m，最大中心角96.7°。

2 拱坝优化设计

拱坝优化布置以满足拱冠梁剖面倒悬度≤0.3，拱端内弧切线与利用岩石等高线夹角≥30°，有利于坝体泄洪和坝肩稳定，坝体材料强度得到充分发挥并平顺变化，同时工程量省的原则和要求进行布置。结合坝身泄洪建筑物的布置，拱坝中心线与河道尽量顺直，以使下泄水流平顺，归槽条件好，减少对下游岸坡的冲刷。在坝体断面能够满足稳定和应力要求的前提下，同时满足拱坝细部结构布置和运行要求，使得整个坝体的混凝土量最小，这是坝体断面优化的目标［1］。

根据坝址地质资料，工程所在河流坝址河谷宽高比2.15，为近似对称的“V”型河谷。基岩为弱硅化绢云母板岩，岩层产状为:左坝肩岩层产状314°～320°∠41°～43°;右坝肩岩层产状309°～320°∠39°～53°。右坝肩弱风化岩体埋深较深，如果建基面要置于弱风化层中下部，坝肩基坑上游边坡处理工作量较大，边坡开挖方量大，所以右坝肩考虑按大坝满足应力和稳定要求进行布置;左坝肩700 m高程以下坝基，以弱风化下部、微风化或新鲜基岩作持力层;700 m高程以上坝基，为控制两坝肩开挖量，同时考虑坝基嵌深较深，以弱风化中部和上部作持力层。以此为各高程设计建基面，可确定坝底高程652.00 m，溢流堰顶高程710.00 m(正常水位)。坝址河谷地形近“V”型，但地质条件不对称，右岸风化线相对平缓，弱风化岩体埋深较深，特别在700 m高程以上，设计时采用双圆心双曲拱坝进行比较，使其适应不对称地形，但通过采用双圆心双曲拱坝坝型布置，坝体两岸倒悬度很难满足要求，施工期坝址出现0.63 MPa拉应力。为此，设计上为避免对右坝肩采取明挖至弱风化层将对边坡稳定很不利的情况，采用对右坝肩坝基面设C20钢筋混凝土找平垫层提高建基面的平体性，选择变圆心双曲拱坝布置。

大坝为C20混凝土双曲拱坝，主体材料为三级配C20混凝土。坝对称轴线方位为48.088°，坝顶高程716.20 m，最大坝高64.2 m，坝顶厚3.6 m，坝底厚15 m，厚高比0.233，最大中心角 96.7°，分溢流坝段和非溢流坝段。溢流泄洪表孔，布置于大坝坝顶中部，共3孔，每孔净宽9.3 m。

量各层拱圈弦长，经计算坝顶厚度3.74 m，坝底厚度13.2～16.78 m。优化后按满足应力及稳定要求，取坝顶厚度3.6 m，坝底厚度15.0 m。拱冠梁剖面设计参数见表1，拱坝体型参数见表2，大坝平面布置见图1，拱冠梁剖面见图2。

表1 拱冠梁剖面设计参数表

表2 拱坝体型参数表

图1 大坝平面布置图

图2 拱冠梁剖面图

3 坝体应力

3.1 坝体材料

坝体材料主要为三级配C20混凝土，各种特性参数见表3。

表3 坝体材料特性参数表

3.2 特征水位及淤积

特征水位及淤积见表4。泥沙压力为泥沙按50 a淤积高程计算，淤沙高程为668 m;浮容重为0.75 kN/m3;内摩擦角为18°。

表4 特性水位表

3.3 地基物理力学参数

表4 大坝不同工况下上下游面最大主应力表

地基变模2 ～6 Gpa、泊松比 μ =0.23 ～0.35、

3.4 计算工况

计算工况荷载组合见表5。

表5 工况荷载组合表

表3中作用荷载:①坝体自重;②静水压力;③温度荷载(温升或温降);④扬压力;⑤泥沙压力;⑥浪压力;⑦冰压力;⑧动水压力;⑨地震荷载。

3.5 应力计算结果

拱坝应力采用浙江大学水工研究所编制《拱坝分析与优化软件系统ADAO》程序进行计算，将拱坝按7拱13梁进行计算。应力计算结果见表4。

由表4可知，拱坝最大主压应力特殊荷载组合为4.29 MPa，最大主压应力基本荷载组合为3.92 MPa，满足容许抗压要求;最大主拉应力特殊荷载组合为1.26 MPa，基本荷载组合为1.19 MPa，满足坝体容许抗拉要求。

4 结语

水库大坝兼有挡水、泄洪、放水等功能，其结构设计意义重大。拱坝是水库挡水建筑物中体积最小且对地形及基础地质要求最高的一种坝型，一旦出事，危害极大，设计中须提高对水库拱坝设计的重视，在其布置及体型设计过程中需要结合地形地质情况，合理布置优化设计，使其既安全又节省，确保水库更好地发挥其拦洪蓄水能力及效益。

［1］黄小辉.平和花溪拱坝设计前期分析及施工调整［J］.漳州职业技术学院学报，2005，07(02):20-23.

Design of Arch Dams Based on Retaining Dam Reservoir

YANG Zheng-meng and LIAO Sheng-hai
(Guizhou Qiandongnan Water Conservancy ＆ Power Investigation and Design Institute，Kaili 556000，China)

Reservoir，as an important water conservancy hub，carries the arduous task for people's daily life and agricultural production.Reservoir not only serves as flood control dispatching，ensures peace，but also makes great contributions in irrigation，electricity generation，drinking water for human being and animals.A little carelessness will bring countries and people unpredictable disaster，so it is vital to guarantee the dam security.It is essential to ensure the safe and stable operation of reservoir impounding dam in the design phase;especially it is crucial for the normal operation and safety of the reservoir in arch dam design.

reservoir;impounding dam;arch dam design;layout optimization;stability;stress calculation

TV642.4

A

1007-7596(2014)05-0019-03

2013-11-26

杨正猛(1979-)，男，贵州黎平人，工程师，从事水利水电建筑设计工作;廖声海(1979-)，男，贵州黎平人，工程师，从事水利水电建筑设计工作。