围滩水电站枢纽大坝设计

2014-12-16叶雄俊

山西水利 2014年9期

关键词：溢流坝段溢流坝重力坝

叶雄俊

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

1 工程概况

围滩水电站位于晋城市东部，跨泽州县和晋城市城区2县（区），工程枢纽位于泽州县金村镇围滩村东北的丹河干流上，距晋城市区30 km，是晋城市生活和工业用水的水源地之一。枢纽坝址以上控制流域面积2418.5 km2。

工程为枢纽大坝为浆砌石（堆石混凝土）重力坝，工程等别为Ⅳ等，枢纽大坝防洪标准为50年一遇设计，500年一遇校核。枢纽大坝由溢流坝段、挡水坝段和冲沙闸段组成，总库容878万m3，最大坝高55.5m。

2 大坝设计

2.1 坝型选定

枢纽位于石山区，河道狭窄，适宜于修建重力坝，设计对砌石坝和混凝土坝进行比较，综合两种材料坝的优点，设计选用砌石重力坝型式，坝体采用M7.5小石子砂浆砌块石，表面采用混凝土及钢筋混凝土。

2.2 大坝体形设计

挡水坝段坝顶宽8m，上游面高程449.0m以上为垂直边坡，以下边坡为1∶0.2，下游面高程475.0m以上为垂直边坡，以下边坡为1∶0.8，坝顶高程480.5m，防浪墙顶高程481.7m，最大坝高55.5m，最大坝底宽51.32m。

溢流坝段布置在主河槽，总长44m，最大坝底宽52.45m，溢流堰净宽40m，堰顶高程471.0m，堰面采用“WES”曲线，曲线下接1∶0.85的陡坡段，陡坡末尾设挑流反弧，反弧半径18m，挑流鼻坎高程444.0m，挑角21°，反弧圆心角50°。为便于交通，在堰顶布置交通桥，桥宽5m。上游侧449.0m高程以上采用垂直边坡，449.0m以下边坡为1∶0.267，溢流面采用1.0m厚的C40抗冲磨钢筋混凝土。坝基上游侧设4.0m深的齿槽，下游侧设3.0m深的齿槽，并设1.5m厚的C15素混凝土垫层。

冲砂闸段布置在溢流坝段右侧，单孔布置，长7.5m，底板高程443.0m。底孔进口设检修平板钢闸门，闸门尺寸3.5m×3.5m，坝顶设启闭机房，采用卷扬机启闭；尾部设弧形工作闸门，闸门尺寸3.5m×3m，闸墩顶部设启闭机房，采用卷扬机启闭。底孔四周采用钢筋混凝土结构，内侧为1.0m厚的C40抗冲磨混凝土，外侧为1.0m厚的C25钢筋混凝土结构。坝体结构与挡水坝段一致。

2.3 水力计算

2.3.1 溢流坝泄流计算

根据《溢洪道设计规范》，开敞式“WES”型实用堰的泄流能力按相关公式计算，泄流能力见表1。

2.3.2 冲沙底孔泄流能力计算

冲沙闸底板高程442.3m，根据径流调节确定的正常蓄水位为471.0m，洞顶高程445.8m，其进水口全部淹没在水面下，水流为压力流，泄量计算采用《混凝土重力坝设计规范》孔口泄流能力计算公式，经计算，水位—泄量关系见表1。

表1 堰顶水位与泄量关系表

2.3.3 下游消能设计

溢流坝段消能方式采用挑流消能，其中：设计洪水和校核洪水情况下挑距分别为55.4m和67.3m；设计洪水和校核洪水情况下最大冲刷坑深度分别为9.23m和18.20m。

冲刷坑深度是从河道地面算至冲坑底部，根据地质资料，河床的实际覆盖层厚度为10~12m，设计洪水时不会在基岩面形成冲坑；校核水位下，为1/8.22，小于许可的最大后坡1/2.5，因此，冲刷坑不会危及坝趾安全。

2.4 重力坝稳定分析

重力坝稳定分析包括溢流坝段和非溢流坝段两部分。对坝体抗滑稳定计算按规范要求考虑以下三种情况：沿坝体垫层混凝土与基岩接触面滑动；沿浆砌面与垫层混凝土接触面滑动；浆砌石体之间滑动，计算选取最不利的坝段，取单宽进行计算。

计算工况分为三种：基本组合情况下，正常蓄水位为自重+正常蓄水位时的静水压力+场压力+泥沙压力+浪压力；设计洪水位为自重+设计洪水位时的静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力。特殊组合情况下，校核洪水位为自重+校核洪水位时的静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力。采用《浆砌石坝设计规范》坝体抗滑稳定计算公式。

溢流坝与非溢流坝各取最大坝断面，取单宽进行计算。计算结果见表2。

表2 稳定安全系数表

根据计算结果可知，上述三种工况与荷载组合下安全系数和安全系数均大于规范允许安全系数，满足规范规定，因此重力坝满足稳定要求。

2.5 重力坝应力分析

重力坝应力计算的方法较多，目前常用的是材料力学法。根据《浆砌石坝设计规范》，实体重力坝以材料力学法为基本分析方法，根据坝高选定计算截面个数，中低坝可只计算边缘应力，因此，本次仅计算坝基高程424m处的边缘应力。

计算内容包括正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位时上下游面垂直正应力，分别按考虑扬压力和不计扬压力两种情况计算。

计算截面选取溢流坝与非溢流坝最高坝段，并采用《混凝土重力坝设计规范》相应公式进行计算。计算结果见表3。

表3 大坝应力计算成果表单位：kg/cm2

从表中可以看出，在各种荷载组合下，坝基应力均为压应力，满足规范要求。

2.6 坝体防渗与排水

2.6.1 坝体防渗

工程枢纽大坝采用浆砌石（堆石混凝土），坝体防渗采用在大坝上游面布设1.5m厚的C25钢筋混凝土面板，坝后布设1.0m厚的C25钢筋混凝土护面。

在大坝桩号0+033.5，0+077.5和0+97.5处设计3条坝体横缝，同时兼坝面伸缩缝；在大坝桩号0+017.5，0+044.5，0+055.5，0+066.5 和 0+112.5 处设计5条坝面伸缩缝，缝宽20 mm，横缝和伸缩缝在上游防渗面板内设2道止水，第一道为紫铜片止水，铜片厚14 mm、宽442 mm，第二道为651橡胶止水带，止水带厚12 mm、宽300 mm；在挡水坝段伸缩缝的下游混凝土护面内水位以下设一道橡胶止水带，溢流坝面伸缝全断面设两道止水，一道为橡胶止水，一道为紫铜片止水。

2.6.2 坝体排水

排水分为坝内排水和坝基排水。坝内排水在坝体内的廊道下游侧布置一排排水管，排水管中心距廊道下游侧墙0.5m，采用直径150 mm的预制无砂混凝土排水管，间距3.0m。坝基排水孔布置在底部廊道的下游侧，孔距3.0m，排水孔深取0.4～0.6倍的帷幕深，且不小于10m。桩号0+026.0—0+093.0段排水孔底高程 407.5m，两侧以 1∶0.5的坡度向两岸延伸至470.0m高程。