湖北青龙水电站碾压混凝土双曲拱坝结构设计

2014-03-15黄华新

湖南水利水电 2014年3期

黄华新

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

1 工程概况

青龙水电站大坝位于湖北省恩施市马尾沟流域新塘乡阴沙潭处，电站厂房位于马尾沟六级电站坝址上游800m处，坝址与厂址之间相距约6.9km，该电站是马尾沟流域梯级开发的第二级水电站，坝址以上流域面积208km2。正常蓄水位为735.0m，最大设计坝高137.7m（实施过程中坝基地质条件较好，坝基整体抬高7m，局部地质缺陷带挖槽回填混凝土，实际最大坝高130.7m），水库总库容2939万m3，调节库容1620万m3，为不完全年调节水库。总装机容量40MW，保证出力5.2MW，多年平均发电量1.119亿kW·h。水库枢纽工程规模为三等中型工程。主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。由于坝高超过100m，其建筑物级别提高一级为2级。大坝和泄水建筑物的洪水标准按100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核；消能防冲建筑物洪水标准按30年一遇洪水设计。

2 拱坝布置

枢纽工程的主要建筑物由碾压混凝土双曲拱坝、坝身泄洪表孔、发电引水隧洞、电站厂房和GIS楼等组成。发电引水隧洞总长5600m，设计引用流量21.0m3/s，设有直径为10m的简单圆筒式调压井。电站厂房安装2台20MW的混流式水轮发电机组。

碾压混凝土双曲拱坝采用抛物线拱，坝顶高程737.7m，设计最大坝高137.7m，顶拱最大中心角82.94°，顶拱弧长116m，拱冠梁顶厚6m，底厚23m，厚高比为 0.167，最大倒悬度0.125。采用坝身表孔泄洪，布置3孔10m×7m（宽×高）溢流表孔，堰顶高程728.0m，堰面为WES曲线，采用弧形闸门控制，液压启闭（六坝平面布置见图1）。坝肩采用窑洞开挖方案，窑洞顶部高程745.7，顶宽（10～12.5）m，洞深约14m。

3 拱坝计算方法

图1 坝顶平面结构布置图

本工程采用中国水利水电科学研究院结构抗震中心的拱坝试载法静动分析程序SDTLM88进行计算，其拱梁分载法计算原理是在拱坝中取中取若干条单宽悬臂梁和单高水平拱，把水荷载分配给这些梁和拱的单元，梁和拱的交点处在指定方向的变位一致，包括径向变位Δr，切向变位Δs和水平扭转角变位Δθ。

在拱坝变位中，径向变位值Δr最大，首先调整径向变位，由于变位不一致，必须重新分配拱梁荷载，直至拱梁各共轭点径向变位一致或接近一致，此时各点的切向变位Δs和扭转变位Δθ不会恰好一致，须在拱和梁之间加一对内力促使二者的切向变位和扭转角变位也相等，第一次径向、切向和扭转调整结束后拱和梁相应结点的径向变位又会不一致，需再调整径向荷载的分配，如此反复计算，直至相应的结点的径向、切向和角变位基本一致。

4 拱坝体型选择

拱坝体形初拟三心圆拱、五心圆拱和抛物线拱方案，对三种线形的双曲拱坝方案采用上述计算程序进行计算比较，然后推荐较优的拱坝体形方案。对三心圆、五心圆和抛物线拱方案的半径、中心角、拱端厚度等参数反复调整，按照以下：（1）正常蓄水位加温降；（2）正常蓄水位加温升；（3）死水位加温升；（4）设计洪水位加温升；（5）校核洪水位加温升等5种基本荷载组合工况；分别计算各坝型的最大应力及部位。结果详见表1。

表1 各坝型应力计算成果表

从表1可以看出，多心圆拱方案（三心圆拱、五心圆拱）与抛物线拱方案上下游面最大拉应相差不多，均满足1.5MPa设计拉应力控制标准，但是多心圆拱方案压应力明显比抛物线拱方案大，并且多心圆拱方案下游面在左岸拱端高程（640～660）m部位，最大值分别为6.51MPa、6.56MPa,超过设计 6.0 MPa压应力控制标准。最终选用抛物线拱方案。

5 抛物线拱坝型参数

水平拱圈和拱冠梁均采用抛物线，拱冠梁上下游曲线均为2次曲线，其方程分别为：

水平拱圈抛物线开口向下，方程Y=-X2/（2R）+ B，式中B为拱冠凸度，R为x=0处的曲率半径。

参数方程：X=R×tgθ，Y=-（R×tg2θ）/2+B，式中R同上，θ为似中心角。

表2为抛物线左侧拱参数，表3为抛物线右侧拱参数。

6 坝体结构设计

6.1 混凝土分区

混凝土分区根据坝体应力、强度、抗渗、温控及抗冲耐磨等要求，分区如下（图2）：

（1）大坝基础设置2m厚的垫层混凝土区、廊道和止水周边0.8m厚区域，采用C9025二级配细石变态碾压混凝土，防渗等级W10。

（2）大坝上游面▽680m以下5m厚、▽680m以上3m厚防渗层采用C9025二级配细石碾压混凝土，防渗等级W10。

（3）大坝主体▽680m以下采用C9025碾压混凝土，▽680m以上C9020碾压混凝土。

表2 抛物线左侧拱参数

表3 抛物线右侧拱参数

图2 拱坝剖面图

（4）溢流坝堰体和闸墩采用C2820常态混凝土浇筑；由于泄洪表孔单宽流量较大、流速高，为防止过流面产生冲刷，在溢流面采用1m厚的C2830抗冲耐磨混凝土；闸墩牛腿、门槽二期混凝土、公路桥和路面采用C2830混凝土。

6.2 坝体分缝

结合工程“U”型河谷的特点，建基面600.0m高程拱圈弧长仅为34.55m，640高程拱圈弧长62.7m，坝顶弧长116m，考虑诱导缝具有坝体未冷却收缩时就能蓄水发电的特点，且具有全断面碾压施工，加快施工速度的特点，其缝的构造形式简单，施工质量容易保证。本大坝布置1#、2#两条诱导缝，诱导缝自▽640m至坝顶，▽640m以下坝体通仓浇筑，1#、2#诱导缝将▽640m以上坝体分为3个坝段。