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三河口碾压混凝土拱坝河谷段建基面优化研究

2018-05-09张建华

水利与建筑工程学报 2018年2期
关键词:拱坝体形基面

王 栋,赵 玮,张建华,蒋 锐,董 鹏

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院, 陕西 西安 710001;2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司, 陕西 西安 710010)

陕西省引汉济渭工程是省内重大的跨流域调水工程,由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水洞组成。三河口水利枢纽位于陕西省佛坪县与宁陕县交界、汉江一级支流子午河中游峡谷段,坝址位于大河坝镇三河口村下游约2 km处,主要由拦河大坝、泄洪放空系统、供水系统和连接洞等组成。三河口水库总库容7.1亿m3,碾压混凝土抛物线拱坝初设阶段坝高145 m,碾压混凝土方量100.3万m3,为世界第二高碾压混凝土拱坝,其突出特点是坝顶弧长472.153 m,河谷宽度达405 m,是目前世界上已建和在建碾压混凝土拱坝中坝顶弧长最长的一座高拱坝。

拱坝建基面优化不仅能有效地减少大坝混凝土方量,同时能缩短施工工期,节省工程造价,这对坝高、坝宽、水推力和坝体碾压混凝土方量均排在世界前列的三河口碾压混凝土拱坝更具有特殊意义。

1 地质勘查

三河口拱坝建基面地层岩性主要为变质砂岩、结晶灰岩、大理岩,局部发育有石英岩、伟晶岩等各类岩脉。初设阶段大坝建基面底部高程为501 m,大坝坝高145 m。大坝在2016年4月中旬开挖至515 m,根据现场施工情况,左、右两坝肩已经开挖到位,河床坝基的地质条件好于前期的预测,进行大坝河谷段建基面优化研究是切实可行的。

三河口坝基岩体建基面选择标准如表1所示,由表可知建基面应以AⅡ类岩体为主,允许局部的为AⅢ1类,但需要固结灌浆处理,AⅢ2及以下类别的岩体不能利用,需置换挖除处理。

地质勘查工作采用编录、钻探、孔内波速测试、孔内电视、电磁波跨孔CT、跨孔波速等勘探手段综合完成[1-2],河谷段坝基11个钻孔平面位置如图1所示。

表1 三河口坝基岩体建基面选择标准

图1河谷段坝基钻孔平面位置图

河床开挖至505.5 m附近时,河床补充进行了15组(H1—H15)跨孔波速测试,图2为H9—H11跨孔波速与高程曲线图,其曲线和孔内波速测试结果相似,由图2可知:各测线上部均存在低波速区,分析为爆破松动带,大部分测线下部波速值高且稳定,表明坝基下部岩体完整性较好;部分测线下部波速值低于4 000 m/s,分析认为该类测试附近发育有断层,受其影响下部岩体完整性较差。

图2 H9—H11跨孔波速与高程曲线图

根据坝基岩体声波波速与变形模量成果,要求底部建基面变形模量为15 GPa,其对应的纵波波速Vp≥4 300 m/s,考虑到固结灌浆可提高岩体质量的有效性,此次要求建基面波速达到3 400 m/s即可[3-4]。经过系统分析,各项指标显示河谷段建基面可优化至504 m高程附近,根据图3和图4,在剔除断层区域的坝基岩体中,各波速岩体面积百分比见表2,由表2可知504.5 m高程坝基岩体Vp>3 400 m/s的区域占比约为底部建基面的81.5%,满足底部建基面80%达到Vp>3 400 m/s的要求,为相对较好的建基面高程。

图3 504.5 m高程坝基岩体波速分区图

综合上述条件,当建基高程选择504.5 m高程时,建基面以下岩体整体较完整,以厚层状结构为主;坝基岩体Vp>3 400 m/s的区域占比约为底部建基面的81.5%,岩体透水率<5 Lu,钻孔岩石质量指标RQD在56%~83%,岩体大部分为AⅡ类,且大部分位于目前开挖爆破影响范围以外,最终建议建基面高程选择在504.5 m。受爆破松动影响、断层构造及局部裂隙密集发育的影响,504.5 m高程的建基岩体表面存在AⅢ1类及以下类别的岩体,尤其是断层构造附近的岩体类别普遍在Ⅳ类及以下,因此大坝浇筑前应对AⅢ1类岩体进行加强固结灌浆处理,对AⅢ2类及以下类别的岩体进行开挖回填混凝土处理,尤其要加强对断层构造的置换处理。

图4 504.0 m高程坝基岩体波速分区图

2 拱坝体形优化

2.1 体形分析

三河口拱坝的突出特点是坝高谷宽,坝顶弧长472.153 m,河谷宽达405 m。在宽河谷地形条件下修建拱坝,由于悬臂作用的增加与拱作用的削弱同时发生,其梁向拉应力必然增大,从而导致相应部分的主拉应力很容易超过设计允许标准;同时考虑筑坝材料碾压混凝土的施工特点,不能采用较大的倒悬度。

在施工图阶段,鉴于大坝左、右两坝肩已经开挖到位,对整个拱坝体形进行调整的可能性不大(前期已进行过两岸602 m~646 m高程的体形收进优化),此阶段仅进行河谷段建基面优化。简单方便的方法是保持大坝各控制高程几何参数不变,把坝底高程从501.0 m抬高至504.5 m,这样三河口拱坝坝高降为141.5 m。一般拱冠梁剖面如图5所示[5],要求上游曲线最凸点H0=(0.55~0.80)H,Au=(0.12~0.20)H[6-7]。建基面抬高后,三河口拱坝H0=0.66H,Au=0.16H,说明拱冠梁剖面特性是合适的;大坝最大中心角92.04°,位于602 m高程即0.69H处(规范推荐0.4H~0.7H处,H为最大坝高),拱效应最大的位置基本为大坝中面形心的高程,说明其体形极大地发挥了拱的作用。大坝部分控制高程几何参数见表3,大坝三维体形见图6。

图5 拱冠梁剖面图

图6 大坝三维体形图

2.2 坝体应力及拱端推力变化

经拱梁分载法复核,拱坝建基面优化前、后各工况的最大变位及最大拉压应力对比见表4,坝体应力满足规范要求[8-11]。

表4 拱坝坝体位移及应力最大值对比表

注:拱梁分载法正值为压应力,负值为拉应力

在基本荷载正常蓄水位+温降工况下坝体的径向位移最大,优化后位移由原7.90 cm减小为6.76 cm,具体见图7;基本荷载正常蓄水位+温升工况为压应力控制工况,最大压应力由5.60 MPa增大为5.94 MPa;基本荷载设计洪水位+温升工况为拉应力控制工况,而拉应力由-1.20 MPa减小为-1.16 MPa,优化后在该工况下,上游面主拉应力等值线见图8,可见其应力分布是比较对称的。特殊荷载工况下,地震+温降为压应力控制工况,最大压应力7.56 MPa增大为7.58 MPa,地震+温升为拉应力控制工况,拉应力由-2.61 MPa减小到-2.45 MPa,坝体应力变幅均较小,且在规范控制之内。

对于拱端推力,在基本组合正常蓄水位+温升下原体形与优化后体形拱端推力及推力角变化见表5(其它工况结果类似),从表5中可以看出,拱端总推力在体形优化后与原体形成果相比变小,对坝体应力影响不大,且有利于坝肩稳定。

图7在正常蓄水位+温降工况下径向位移图

图8在设计洪水位+温升工况下,上游面主拉应力等值线图(MPa)

表5 拱坝左右拱端推力及夹角对比表

注:表中夹角指合力与拱坝中心线交角。

2.3 坝体有限元应力复核

建基面最终优化后,对坝体进行了有限元应力复核,计算成果分析表明:坝体应力分布合理,满足相应规范的应力控制标准。以下仅列举设计洪水位+温升工况下坝体上游面有限元主拉应力云图,见图9,经过和图8对比可知,有限元法和拱梁分载法的应力分布趋势基本一致。拱坝上游面主拉应力大于1.5 MPa的区域分布在上游面与地基交接部位,分布范围为高程504.5 m~584.0 m,但经过应力等效处理后,满足规范要求[12-14]。

2.4 基岩参数敏感性分析

备注:有限元法正值为拉应力,负值为压应力。

图9在设计洪水位+温升工况下,上游面有限元主拉应力云图(MPa)

为了测试建基面优化后拱坝体形对底部基岩的适应能力,进行了坝基岩体参数敏感性分析[15],把坝基504.5 m变形模量从原来的15 GPa降低为12 GPa,同时在坝肩开挖过程中,在右岸623 m~646 m高程发现局部破碎带,其影响相应部分基岩质量,因此把此段岩体变形模量从原来的9 GPa降低为5 GPa。敏感性分析只列举组合(1)正常蓄水位+温降和组合(2)正常蓄水位+温升两种工况的应力计算结果,由表6可知,在敏感分析中,由于大坝内力重新调整,坝体各主应力除上游面主压应力略变大外,其余主应力均呈下降趋势,分析结果充分说明:拱坝体形的设计是比较合理的,其适应坝基岩体变化的能力比较强。

表6 坝体应力敏感性分析表 单位:MPa

3 结 论

(1) 本次河谷段建基面优化研究地质勘查工作采用编录、钻探、孔内波速测试、孔内电视、电磁波跨孔CT、跨孔波速等勘探手段综合完成;最终根据地质条件系统分析,河谷段建基面高程可选择在 504.5 m。

(2) 经拱梁分载法和有限元法复核,优化后的坝体应力满足规范要求。拱端总推力在体形优化后与原体形成果相比变小,对坝体应力影响不大,且坝肩稳定条件更为有利,优化后体形适应坝基岩体变化的能力比较强。

(3) 将拱坝河谷段建基面优化后,坝体高度从145 m降低为141.5 m,坝体碾压混凝土方量从100.3万m3减少为99.0万m3,大坝开挖量从152.4万m3减少为150.9万m3,可直接节省投资510万元,缩短工期2个月,具有显著的经济、社会效益。

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