关于水库挡水坝设计初步分析

刘 阳

(辽宁江河水利水电工程建设监理有限公司，沈阳110003)

观音阁水库位于太子河流域干流上，距本溪市上游40 km，控制流域面积2 795 km2，总库容21.68 亿m3，观音阁水库与相距70 km的下游参窝水库形成太子河干流梯级开发。

1 工程设计概述

1.1 平面布置

观音阁水库大坝的轴线仅次于观音阁坝段中部，其河谷部分宽度为540 m，成倒T 形，河床高程为194.0 m，河滩高程197.0 ～199.0 m。左岸为陡峻的高山，分水岭高程在600 m以上。山坡的最陡处在60°以上。右岸地形低缓，且不完整。坝轴线所处山脊比较单薄。其上、下游及北端均为河谷［1］。

河床的坝基地层有寒武系，中统的张夏灰岩及崮山组的灰岩互层组所构成。为尽可能的利用凤山组10 m页岩做防渗帷幕的相对隔水层，以及右岸地形条件所决定观音阁大坝的轴线布置成折线型式，即坝轴线在右岸42#、43#坝段的接缝处折向上游，具体布置如下:左岸及河床部分由左端控制点“坝左2”和右端的控制点“坝右1”两个点控制点和“坝右3”两点控制，其方向为NE54°51′35.4″。左岸控制点“坝左2”做为大坝桩号持起算点，桩号由左向右递增计算。沿北坝线布置大坝，坝址大部分座落在张夏灰岩上，坝踵部分座落在崮山灰岩、页岩互层组上，帷幕灌浆除在右岸有240 m一段为悬挂式外，其余部分帷幕部均与凤山组10 m页岩相连接。拦河坝由挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段、电站段所组成。坝顶全程1 040 m，共分65 个坝段，除7#、9#坝段分别为13 m和19 m外，其余63 个坝段均为16 m。在各个建筑物的布置上考虑到河床较宽，布置上受地质条件限制，溢流坝布置在河床中部，水流条件较好，并可避免挑流消能对F8 断层冲刷，有利于坝基安全。底孔坝段和电站坝段均设检修门，对外公路、输电线路均设在左岸，将底孔坝段、电站坝段布置在左岸，交通、电站出线都比较方便，如果放在右岸进厂交通较难解决，且有大量开挖山岩问题。因此，将底孔、电站坝段布置在左岸。为避免放水底孔在泄水时，对电厂尾水渠影响，将9#坝扩宽成19 m，增加了底孔坝段和电站坝段之间的长度。电站坝段布置在靠近左岸山脚，有利于进场公路的回车和电站布置，同时尾水可以通过单独布置的渠道送入太子河，一般情况下，电站发电可以避免底孔泄流的影响［2］。

1.2 基础开挖及处理

根据地形地质条件及建筑物布置要求，坝基开挖高程按地质岩面风化深度分界，左岸及河床0+216.79 ～0+888.79 坝基座落在微风化顶面线下1.0米，右岸0+888.79 ～1+256.79 由于坝高较低，且岩石风化较深，坝基座落在弱风化顶面线3.0 m。坝基处永久坡上游1∶0.75，下游1∶0.5，临时开挖高度范围内段隔15 m设置2.0 m马道，复盖开挖坡与河床部分按机械推土为1∶3.0，右岸人工开挖为1∶1.5。

开挖后，河床部分的大坝基础高程在184.0 ～+188.0，开挖深度8 ～17 m，坝址在190 ～200 m高程比较集中的岩溶大部分可以挖除，在建基在上暴露的岩溶也有工程措施进行处理，因而可保证坝基完整性和可靠性。F8 断层部位，因构造作用影响，需局部加深开挖，特别是在帷幕线部位，开挖深度达160 m高程。

2 挡水坝设计

2.1 剖面拟定

根据水电部对可行性研究报告审查意见，同意基本坝型为混凝土混凝土，在此基础上，从地形、地质、工程布置、气象、施工条件等多方面分析研究，适合于观音阁水库坝址实际情况的只有重力坝和宽缝重力坝两种，可作进一步分析比较，经过对经济技术比较后两种坝型对比结果如下:

1)在稳定、应力相同水平的情况下，混凝土的用量相差不大。

2)由于宽缝重力坝结构上的特点，在北方从温度应力的角度分析，宽缝重力坝是不利的坝型。一旦发生表面裂缝，在以后的冷却过程中，屡遭气温骤降的冲击时，表面裂缝发展为贯穿裂缝的机率较大。

3)实体重力坝结构简单，施工方便，抗震性能好，在裂缝问题上也较宽缝重力坝优势。

4)宽缝重力坝在施工中有诸多不便，不但增加了宽缝部位的模板用量和宽缝倒坡部位立模的复杂性，而且也给分期导流带来不便。

综上所述三方面考虑，坝型选为实体重力坝，采用日本碾压混凝土RCD 筑坝技术最大高处的挡水坝段为例。基本剖面为三角形，其顶点高程与上游最高库水齐平，本工程最高水位为265.7 m，坝基开挖后最低处高程为185 m，则最大坝高为82 m。根据作用在坝体上的全部荷载及其运用条件，对基本剖面进行修正，成为实用剖面。根据《混凝土重力坝设计规范》得，实体重力坝上游坝坡n=1:(0 ～0.2)，本工程采用n =1∶0.15，下游坝坡m =1:(0.6 ～0.75)，本工程取册m=1∶0.74。

为了有效利用水重和坝体自重增加坝体稳定，上游设置折坡，折坡点按《规范》为(1/3 ～2/3)的坝高，即在27.3 ～54.6 m，这里取35 m，这样折坡点的高程为230 m。为节省工程量，下游按坝顶宽度向下和坝坡交得下游折坡点，经过计算得为253.6 m，为施工控制方便，取254 m高程处为下游折坡点。

2.2 荷载计算

根据《混凝土重力坝设计规范》补充规定，对于防洪为主的水库，其正常蓄水位很低者，可以按50 ～100 a一遇的洪水位时的荷载作为基本组合。但考虑本水库为大(1)型水库，大坝属一等工程，I 级建筑物，下游有重要的工业城市，故采用设计洪水位时的荷载为基本组合。荷载组合按基本组合考虑，主要有:坝体自重，静水压力，扬压力，浪压力，泥沙压力，冰压力(按正常蓄水位时计算)，动水压力(本设计不考虑)，土压力(由于本工程坝体外没有填土石，故不予考虑)等。特殊组合考虑荷载:校核洪水位时的坝体自重，静水压力，扬压力，泥沙压力，浪压力等和正常蓄水位时的正常荷载加上地震荷载两种。计算成果见坝体抗滑稳定计算表(1)～(5)，其中扬压力按《规范》规定其折减设在排水管处，折减系数α =0.3。具体挡水坝坝段剖面见荷载计算简图。

2.3 抗滑稳定计算

2.3.1 大坝断面所采用的基本资料

1)建筑物等级:I 等工程I 级建筑物。

2)设计防震裂度:Ⅶ度。

3)坝顶高程267 m坝顶宽度10 m。

4)控制水位:万年洪水位265.7 m，千年洪水位263.9 m，百 年 洪 水 位262.8 m，正 常 高 蓄 水位255.2 m。

5)f=0.964，f=0.75，c2=7.394 MPa，混凝土容重24 kN/m3，水容重为10 kN/m3。

6)泥沙淤积高程207.7m，泥沙饱和容重20.2 kN/m3，泥沙内摩角为18°。

7)扬压力折减系数α=0.3，计算建基面高程为185m，基本三角形顶点:265.7 m。

8)根据实 验得出f =0.75，f′ =0.964，c′ =7.394，f 为摩擦系数，f′为抗剪断摩擦系数，c′为坝体混凝土与坝基接触面的凝聚力。

2.3.2 稳定计算

计算公式:

式中:kc为抗滑稳定系数;k′c 为按抗剪强度计算的抗滑稳定系数;W 为作用在坝体上不包括扬压力铅直荷载的总和，向下为正，向上为负;U 为作用于坝体上的扬压力;P 为作用在坝体上的水平荷载，向上为正，向下为负。

2.4 应力计算

重力坝应分析，是验算所拟定坝体断面是事安全合理的主要条件之一，并为确定坝内材料分区，某些部位配筋等项目提供主要依据。重力坝的应力分析按照规范要求，由于本水库大坝为高坝，应用弹性力学进行计算，由于时间紧迫，故采用材料力学法计算。

2.4.1 材料力学法计算的重力坝应力控制标准

根据我国《混凝土重力坝设计规范》规定:

2.4.1.1 坝基面垂直正应力的控制标准

运用期在除地震荷载情况外的各种荷载组合情况下，在计入扬压力时，坝基面最小垂直正应力应大于零，最大垂直正应力应小于坝基的允许压应力;施工期下游坝基面的垂直正应力可以有≤0.1 MPa的拉应力。

上述坝基面的容许压应力根据岩石的抗压强度乘安全系数，安全系数结合岩基的节理裂隙情况而定:强度较高的岩基其安全系数为20 ～25，中等强度的岩基为10 ～20，强度较低和半岩基采用5 ～10。根据观音阁水库的地质条件，为中等强度的岩基，容许压应力为3 000 MPa。

2.4.1.2 坝体应力要求

1)运用期坝体上游面的最小主应力，当计入扬压力时，要求σ ≥(0.25 ～0.40)γH，γ 为水库容重，这时取10 kN/m3，H 为坝面设计点的静水头。由于本水库有可靠的防渗帷幕和排水管，这里取较小值σ ≥0.25γH。

2)坝体内不准出现拉应力。

3)坝体最大主应力不混凝土的容许压应力。容许压应力根据混凝土的极限强度及相应的安全系数来确定，这里取安全系数为4，地震时增加30%。

4)施工期间除坝的主压应力不大于容许压应力，可容许在坝的下游面产生≤0 MPa的主拉压应力。

5)按计入扬压力和不计入扬力两种情况进行计算。

a)不计入扬压力情况的垂直正应力计算公式:

b)不计入扬压力情况水平截面上剪应力:

τu=(p-σyU)n，τd=(σyd-p′)m，其中p 和p′分别为上、下游坝面的水压力强度;n 和m 分别为上、下游坝面坡率。

c)不计入扬压力水平正应力为σxu=p-(pσyu)n2，σxd=p′+(σyd-p′)m2

d)不计入扬压力情况主应力计算公式:

e)计入扬压力情况垂直正应力计算公式:

f)计入扬压力情况以τu和τd分别为上、下游坝面的剪应力值:

其中n 和m 分别为为上、下游坝面坡率。

g)计入扬压力情况水平正应力σxu=σyun2，σxd=σydm2。

h)计入扬压力情况主应力计算公式:

i)坝内应力计算，距下游面x 处的垂直正应力

j)距下游面x 处的剪应力:

k)距下游面x 处的水平正应力:

l)距下游面x 处的主应力:

计算结果说明挡水坝段所设计的断面符合《规划》规定的应力条件要求，坝段具体计算见计算表。

3 细部构造及廊道配筋计算

3.1 坝顶高程的确定

本工程拦河坝属于I 级建筑物，确定规模时按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，按《混凝土重力坝设计规范》要求，结合工程布置情况，坝顶高程应不低于水库静水位和浪高再加安全超高。

式中:h设(校)为洪水位(设计洪水位为263.9 m，校核洪水位为265.7 m);为浪高。

表1 坝顶高程计算表

根据计算结果，取设计情况和校核情况下的坝顶高程的最大值且取整，最终坝顶高程为267 m。

3.2 坝顶宽度确定

坝顶宽度应满足交通和水库大坝坝高，坝体设三层廊道，为了帷幕灌浆要求有一定的盖板的重量，第一层廊道底高程设在192 m高程，廓道上游侧至上游坝面的最小距离为该处水头的0.07 ～0.1 倍，(0.07－0.1)×(265.7 ～192)=5.16 ～7.37 m，这里取7 m。廓道呈城门洞形，宽为3 m，高3.5 m，顶部为半径1.5 m的半圆，下部为矩形。廓道上游侧设灌浆孔，进行帷幕灌浆;距廓道下游侧20CM 处设排水孔。廓道形心高程为193.5 m，计算出此截面的应力，以此来进行配筋。

［1］高玉桓.葠窝水库溢流坝面加固技术［J］.吉林水利，2009(08):63－65.

［2］冯国治.浅析葠窝水库安全加固措施［J］.水利水电技术，1993(04):41－43