龙洞湾水库大坝坝型比选及结构应力计算分析

2019-03-07雷双超娄诗建

水利规划与设计 2019年1期

雷双超，娄诗建，肖玲

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州遵义 563002)

1 工程概况

龙洞湾水库工程位于务川县浞水镇长江村境内，地处乌江二级支流、芙蓉江一级支流浞水河上游，距浞水集镇4.0km，距遵义中心城区290.0km，现有乡村公路从坝址经过。水库坝址以上流域面积3.5km2，主河道长2.75km，平均比降135.6‰，多年平均径流量263万m3。工程主要任务为向分水集镇、浞水集镇及其周边长江村、石笋村供水，主要解决分水镇区、浞水镇区综合用水问题，同时覆盖解决周边长江村、石笋村人畜用水问题。水库正常蓄水位913.00m，相应库容155万m3，总库容174万m3，为小(1)型，工程等别为Ⅳ等。工程总工期24个月，总投资2507.39万元。

2 坝址区工程地质条件

龙洞湾水库坝址为基本对称“V”型横向河谷结构，河床覆盖层厚1.0～2.5m；坝基肩出露地层岩性以S1s￣2中至厚层含泥质条带灰岩、含泥质灰岩中硬岩为主，左岸坝肩897.0m左右高程以上为S2h￣页岩、粉砂质页岩软质岩。坝址区岩层产状为N15°E/NW∠15～16°，整体倾上游偏左岸，产状总体稳定。受区域断层影响，裂隙较发育，地表溶蚀较强烈，岩体风化不均一。左坝肩上部出露岩体不均一，S2h￣页岩、粉砂质页岩软岩与S1s￣2灰岩、含泥质灰岩中硬岩存在变形差异，局部溶蚀破碎带等存在压缩变形和不均匀沉降等不良工程问题，故需进行扩挖回填及对坝基、坝肩地基岩体进行固结灌浆处理[1]。两坝肩边坡由于风化及卸荷裂隙局部较深，因裂隙切割及开挖影响，存在不稳定块体，应选择合理开挖坡比进行适当放坡，并对边坡进行相应的临时及永久支护处理，同时对左岸坝肩泥岩边坡及时进行封闭保护处理。水库蓄水水位抬升后，存在沿坝址左右岸强风化带和溶蚀裂隙带及右岸岩溶管道向下游绕坝基肩渗漏问题，对大坝安全及水库蓄水不利，需进行防渗处理[2- 3]。两岸地形总体较陡峻，起伏较大，碳酸盐岩分布带以陡坡或陡崖为主，地形和地质条件较适合修建堆石混凝土拱坝和混凝土面板堆石坝。

3 坝型比选及大坝枢纽布置

3.1 坝型优化比选

在勘探线附近优选堆石混凝土拱坝和混凝土面板堆石坝进行比较，两种坝型均能适应坝址处的工程地质及水文地质条件。坝址区地形地质条件对两坝型的选择无明显控制决定性因素，两者相差不大，各有优劣，即：①坝基处理方面：坝址河床分布地层为S1s￣2中至厚层含泥质条带灰岩、含泥质灰岩，覆盖层厚1.0～2.5m。对于拱坝而言，坝基肩嵌深较大，需将坝基置于该层弱风化中部，对局部溶蚀带及左坝肩S2h页岩、粉砂质页岩进行深挖回填混凝土处理，同时对坝基进行固结灌浆处理后可满足要求。而对于混凝土面板堆石坝而言，仅须将主次堆石区基面覆盖层清除、将上游趾板基础及低压缩区置于弱风化岩体上，对趾板基础进行固结灌浆处理后即可满足要求，面板堆石坝略优于拱坝[4]。②边坡工程问题：由于坝址地形狭窄，两岸坡地形总体较陡，两种坝型均存在高边坡问题，边坡开挖均需分台阶并结合适当坡比放坡开挖后采取相应的支护处理措施。但受坝址两岸卸荷带破碎岩体影响，面板坝左右岸趾板基础斜向开挖，内侧切坡范围较大，施工开挖难度大，边坡处理工作量相对较大，拱坝优于混凝土面板堆石板。③泄洪建筑物布置方面：由于坝址两岸地形总体较陡，面板堆石坝两岸坡泄洪设施布置难度大，边坡开挖高度大，边坡稳定问题较突出。而拱坝采用坝顶洪道、挑流消能，拱坝优于面板堆石坝。④施工工艺及工程投资方面：面板堆石坝填筑方量大，工艺繁琐，工期长。而拱坝开挖填筑方量小，更经济且工期短，拱坝优于面板堆石板。

表1 大坝坝顶高程计算成果

综上所述，虽然在坝基处理上拱坝较面板堆石坝略复杂、难度略大，但在地形地质条件适应性、枢纽布置灵活性和技术经济性等方面均占较大优势，故优选堆石混凝土拱坝坝型。

3.2 大坝枢纽布置

大坝为堆石混凝土单圆心单曲拱坝，中心线方位角为N85.50°W，顶拱中心角为91.0°，其中左顶拱半中心角为45.7°，右顶拱半中心角为45.3°，拱圈外半径为110.0m。坝顶高程916.00m，坝顶宽5.0m，坝轴线长174.7m。坝基置于弱风化基岩中、上部，建基面高程868.00(起拱高程870.00m)，最大坝高48.0m，最大坝底厚13.5m，厚高比0.293。右坝肩设置堆石混凝土重力墩，顶部高程916.00m，建基面高程900.00m，上游坡面铅直，下游坡面坡比为1∶0.5，墩长35.4m、顶宽7.0m、最大底宽16.0m，最大墩高16.0m。大坝主体材料采用C9015一级配堆石混凝土，抗渗等级W6，抗冻等级F50。上、下游坝面均采用0.5m×0.3m×0.3m(长×宽×高)的C15混凝土预制块砌筑，按一丁一顺进行布置。

4 拱坝坝顶高程及结构应力计算分析

4.1 大坝坝顶高程确定

龙洞湾水库校核洪水位915.00m，正常蓄水位913.00m。经量算水库计算吹程D=0.6km，据气象统计，多年平均最大风速10.6m/s。根据SL 282—2003[5]，坝顶高程为水库静水位加坝顶超高。按正常运用(正常蓄水位913.00m)和非常运用(校核洪水位915.00m)两种条件，计算得大坝坝顶高程成果，见表1。

由表1可知，校核洪水位915.00m非常运用条件下，坝顶安全超高为0.63m，坝顶高程计算值为915.63m。为确保拱坝运行安全，设计确定坝顶高程为916.00m。

4.2 大坝应力计算分析

拱坝是一个变厚度、变曲率的空间弹性壳体，其复杂多变的几何形状和边界条件，很难用严格理论计算来掌握坝体应力分布状况。为避免繁琐理论计算，工程中广泛采用多拱梁分载法，将复杂弹性壳体问题转化为结构力学的杆件计算问题[6]。鉴于此，龙洞湾水库拱坝采用7拱18梁的网格布置进行坝体结构应力分析，如图1所示。

图1 拱坝7拱18梁应力分析网络

4.2.1 坝体设计主要荷载指标

(1)水位、沙及地震荷载

正常蓄水位913.00m，相应下游水位872.10m；设计洪水位914.54m，相应下游水位872.82m；校核洪水位915.00m，相应下游水位873.30m；死水位883.00m，相应下游水位872.10m。

表2 坝体各层拱圈均匀温度计算成果

表3 拱坝应力分析成果单位：MPa

淤沙高程879.66m。工程区地震动反应谱特征周期为0.35s，地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度。

(2)填筑材料特性

坝体C15堆石混凝土，埋石率为55%，埋石率和砌石坝相当，故仍参照SL 25—2006《砌石坝设计规范》选取参数：弹性模量为7.0GPa；线膨胀系数为7×10-6/℃；泊松比为0.20。

(3)温度

库区多年平均气温15.5℃，多年平均最低月(1月)气温4.7℃，多年平均最高月(7月)气温26.0℃，日照影响2℃。由于坝体施工采取整体上升不设缝，每层拱圈施工完成即封拱，且坝体每层拱圈、坝段施工时间跨度较长，各时段施工温度不尽相同[7]。各层拱圈均匀温度按美国内政部肯务局经验公式进行计算、复核，即：

(1)

式中，T—均匀温度，℃；L—坝体厚度，m。

计算得各高程拱圈的温度荷载计算成果，见表2。

4.2.2 荷载组合

设计选择4种基本组合和2种特殊组合进行应力计算[8]，即：①基本组合1：正常蓄水位913.00m与相应下游水位872.10m+泥沙压力(淤沙高程879.66m)+自重+扬压力+设计正常温降。②基本组合2：正常蓄水位913.00m与相应下游水位872.10m+泥沙压力(淤沙高程879.66m)+自重+扬压力+设计正常温升。③基本组合3：设计洪水位914.54与相应下游水位872.82m+泥沙压力(淤沙高程879.66m)+自重+扬压力+设计正常温升。④基本组合4：水库死水位883.00m与相应下游水位872.10m+泥沙压力(淤沙高程879.66m)+自重+扬压力+设计正常温升。⑤特殊组合1：校核洪水位915.00m与相应下游水位873.30m+泥沙压力(淤沙高程879.66m)+自重+扬压力+设计正常温升。⑥特殊组合2：施工期度汛水位878.56m与相应下游水位872.50m+自重+设计正常温升。

4.2.3 计算成果分析

坝体应力分析采用“ADAO拱坝分析与优化软件”进行分析，得各种工况下坝体的最大主压应力和最大拉应力计算成果[9- 10]，见表3。

龙洞湾水库拱坝设计将坝基、坝肩均嵌入弱风化岩体的中、上部。对于左坝肩898.00m高程以上页岩地基、局部破碎岩体及溶槽等采取局部挖除后换填C20混凝土和固结灌浆等工程措施处理后，各种工况下坝体的最大主压应力和最大拉应力均在规范允许范围内，基岩承载力也满足要求。