青年水电站砌石薄拱坝设计

向富初

（澧水水利水电勘测设计研究院　　张家界市　427200）

青年水电站砌石薄拱坝设计

向富初

（澧水水利水电勘测设计研究院张家界市427200）

慈利县青年电站1982年投产后，时隔22年工程改扩建，浆砌石薄拱坝由原建32m加高至67m，河床中央部位坝体为定圆心，等外半径，向两岸调整为变圆心、变半径、变中心角，坝体上游面向上游倒悬的趋于“扁平化”的体型布置，有利于改善两岸坝肩岩体受力及稳件条件，又可得到较为合理的坝体应力分布。指明地方中小规模拱坝加高扩建简单可行的途径，这也是青年电站薄砌石拱坝的显著特点。

浆砌石薄拱坝坝肩应力及稳定条件倒悬改扩建

1 概　述

青年水电站是全国首批农村电气化试点县——张家界慈利县电网中布置较为合理以发电为主的地方工程，位于三合乡向家溪上游，电站正常蓄水位340.00m时，相应库容为832万m3，水库校核洪水位345.80m时，总库容982万m3，电站扩建后，装机容量为2240kW。砌石薄拱坝原设计坝高为64.00 m，原已建成32m，坝高程为318m，工程扩建后最大坝高为67.00m，坝顶高程为347.00m，坝高增高了29.00m，最大坝体厚度12.00m，厚高比为0.179。工程始建于1976年，于1982年首台125kW机组发电。2004年9月张家界澧水水利水电勘测设计研究院提交了本电站扩建工程初步报告，于2005年10月由慈利县星源发电有限公司负责本电站的扩建开发，投资扩建动工兴建。

2 坝址地形地质条件

青年电站坝址位于向家溪流入狭窄河谷地貌的前段，坝址两岸地形整齐，山顶高程均在600.00m以上，两岸岸边较陡，约70°以上，高程380.00m以上，右岸岩坡比左岸偏缓。两岸地形基本对称，坝址地段河谷为典型的“V”型横切河谷，河流流向与山体岩层走向近乎垂直，河谷宽高比（L/H）约0.86，为理想的建拱坝优良地形。但右坝肩高程320.00m以上，岸坡变缓，坝肩后部基岩地形向内收缩，稍显单薄，对高程320.00m以上，右坝肩拱端合力的传力方向与坝肩稳定，略有影响。

坝址基岩为嘉陵江组中厚层状白云质灰岩，岩性单一，岩体完整性较好，岩石纵密坚硬，物理力学参数较高，参照同类地层江垭工程，其岩石饱和抗压强度R6=（40～50）MPa，抗剪断强度f=1.0（岩/岩），C1=0.8MPa。

3 大坝布置及坝体设计

3.1大坝布置

1981年4月青年电站砌石拱坝按原有等外半径变中心角拱坝体型已施工到318.00m高程，2004年6月扩建工程初步设计时，大坝布置及拱坝体型根据已确定的坝轴线，在基本选定了拱坝体型的基础上进行。本工程在原建318m以上坝体加高续建的“扁平”化措施是在河床中央部位偏右岸2m，采用坝上游面直立，两岸逐渐向上游倒悬的变圆心、变半径、变中心角的砌石拱坝，左、右两岸坝体最大倒悬度分别为0.039∶1，0.163∶1，均小于规范规定值0.3∶1，库空状态倒悬坝段最大拉应力为0.53MPa。“扁平”化布置使水平拱圈拱端内弧面切线与同高程可利用基岩等高线之间的夹角增大5°～10°，均大于30°。附图为大坝平面布置图及中央梁剖面图。

附图　大坝平面布置图及中央梁剖面图

3.2坝体设计

采用弹塑性多拱梁分载法计算程序，将新老坝体划分为5拱7梁，考虑四向变位调整即（径向、切向、水平扭转垂直扭转、再径向）进行坝体应力计算。基本荷载组合考虑了正常温降，特殊荷载组合考虑了正常温升。计算结果列于表1。

表1　大坝控制应力与最大位移

规定：拉应力为负，压应力为正；指向上游位移为正。

从表1可知，基本荷载组合最大主压应力为2.43 MPa，小于《浆砌石坝设计规范》SL25-91规定位4.7 MPa，最大主拉应力为-0.811MPa，小于规范规定值1.0Mpa，特殊荷载组合，最大压应力2.99MPa，小于规范规定值5.5Mpa，最大主拉应力为-0.829，小于规范规定值-1.0MPa。坝体应力分布规律要合理，最大主压应力发生在拱端下游面，最大主拉应力发生在拱端的上游面。坝体的径向位移值均较小，对两岸坝肩两条层面小节理f1，f2的压缩变形（f1、f2）的压缩变形（f1、f2经固结灌浆处理后）是有限的，均处于控制范围内。

3.3坝肩稳定分析

向家溪猪槽潭坝址从地形地质条件分析，是理想的拱坝坝址。两岸坝肩略为发育的顺层夹泥节理规模小，张开或延伸等发育程度低，基本上对坝肩稳定不构成威胁。右岸高程320.00m以上，拱端下游持力山体略显单薄，通过坝体上部320m高程，采取向上游倒悬，变圆心、变中心角、变半径的“扁平化”调整后，采用剪摩（抗剪断）公式对拱端拟转动抗滑稳定进行计算，成果列于表2。

从表2可知，拱坝拱端转动抗滑稳定安全系数均满足《浆砌石坝提升规范》SL25-91要求。

表2　拱座转动抗滑稳定安全系数

4 结　语

（1）中、低拱坝采用变圆心、变半径、变中心角、坝体上部略向上游倒悬的体型，是一种可行的“扁平”化措施，有利于坝肩稳定条件，又可得到较为合理的坝体应力分布。从设计施工实践角度指明了地方中小规模的拱坝加高扩建简单可行的途径，这也是青年电站薄砌石拱坝的显著特点。

（2）拱坝体型扁平化，其应力分布与抗拉压应力极值有可能恶化，但大坝合理布置后，仍可得到可行的设计，使拱端推力角偏向山里岩体深部约5°～10°。

（3）在拱坝坝肩有软弱地带的情况下，采用中部坝体定圆心，等外半径、两岸坝体采用变圆心、变

［1］朱伯芳.双曲拱坝的优化［J］.水利学报，1981，（2）.

［2］张光斗，王珧伦.水工建筑物［M］.北京：水利电力出版社，1992.

［3］王毓泰，周维恒.拱坝坝肩稳定分析［M］.贵州：贵州人民出版社，1982.半径、变中心角的变曲率体型布置有条件的应进行三维有限元应力计算，并加强基座的基岩处理。

向富初（1971-），男，大学专科，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。

（2016-07-14）