上水水库碾压混凝土拱坝结构设计分析

2019-06-26陆文合李元杰

陕西水利 2019年5期

陆文合，李元杰

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550000）

城市化进程的不断深入，使得各行各业均取得了长足的发展成果。水库工程，作为保护这一成果的重要基础设施，其建设使用易受环境因素影响，无法达到预期效果。从实践角度出发，即在明确工程结构设计目标的情况下，着手对各项设计环节进行优化，提高整个工程项目结构设计的科学合理性是当前水库设计的重要任务[1]。本文结合上水水库工程现状，对其碾压混凝土拱坝结构设计进行分析。

1 工程概况

上水水库工程涉及灌溉遵义县三岔镇、尚稽、新民、茅栗、团溪等5 个乡镇农田51300 亩（其中水田20800 亩，旱地30500 亩），灌溉输水量1552 万m3/年（P=85%）。最小下放流量0.07 m3/s。水库正常蓄水位881m，死水位850 m，兴利库容983.7 万m3，水库总库容1150 万m3。水库规模为中型，工程等别为III 等，水库枢纽工程主要由挡水、泄水、取水建筑物等组成。

2 拱坝结构设计

2.1 坝体构造

工程坝顶高程设计为883.10，坝顶长268.96 m，宽5 m，溢洪道处设交通桥，结合闸门启闭设备的布置，交通桥宽为6.0 m，为保证人行安全，坝顶上下游面均设栏杆，左岸坝顶与上坝公路相连接[2]。

大坝主体材料采用C9015 三级配碾压砼（抗渗标号W6，抗冻等级F100）；坝体上游侧865 m 高程以上采用1 m 厚C9020 二级配变态砼防渗层（抗渗等级W6，抗冻等级F100），坝体上游侧865 m 高程以下先采用2.5 m 厚二级配碾压混凝土防渗层、表层0.5 m 厚作变态混凝土处理，河床基础设置1.0 m 厚的28 天龄期三级配C20 常态砼垫层；岸坡基础采用1.0 m 厚的90 天龄期三级配C15 变态砼垫层（抗渗等级W6，抗冻等级F100），其中左右岸P1m2-1软弱层采用厚3 m 的28天龄期二级配C20 常态砼垫层进行置换回填，并对该段进行固结灌浆处理。

坝体构造分缝，应根据标准规定，横缝间距宜为15 m～25 m，大坝坝身设9 条横缝，将坝体分为10 个坝段，坝段长度17.903 m～27.090 m 不等，横缝上游设置两道铜片止水，缝内安装重复灌浆系统，下游设一道铜片止水[3]。大坝浇筑完成后，根据横缝的变形情况和坝体温度场变化情况，对其进行接缝灌浆。

表1 大坝体形参数表

2.2 大坝体形参数

本水库碾压混凝土拱坝结构体形参数的确定，应综合工程所处地质条件、坝体应力以及施工条件等因素，来提高设计控制的合理性。具体而言，本工程下坝址为“V”形横向谷，河床宽度35 m，河床宽高比3.466，依据规范选用双曲拱坝。见表1 所示，为拱坝体形参数。

大坝的应力因本工程混凝土拱坝为3 级建筑物，按照既定的规范标准进行指标参数确定。应力控制指标参数要求见表2。

表2 应力控制指标表

2.3 大坝稳定性设计

河床为P1m1-4中厚至厚层块状灰岩，湿抗压强度＞50 MPa，两岸对称分布P1m2-1薄至中厚层硅质岩、硅质灰岩夹泥页岩，其中硅质岩占80%，泥岩占20%。P1m2-2中厚层燧石条带泥质灰岩（间夹薄层硅质岩）分布于两岸坝肩844 m～896 m 高程，根据拱坝平面布置及裂隙发育情况，层面是构成坝肩抗滑体的底滑面，坝址左坝肩发育的裂隙有：N75°E/SE∠75°、N28°E/SE∠85°、N60°～80°W/SW∠70°；右坝肩发育的裂隙有：N75°E/SE∠75°、N28°E/SE∠85°、N60°～80°W/SW∠70°。

经综合分析及试算，左坝肩控制裂隙组合为无顺河向裂隙面，假定拱坝左坝肩沿径向分别为5°、10°、15°、20°、25°、30°的裂隙切割坝肩岩体为侧滑面，以岩层层面为缓倾角底滑面，以裂隙面N75°E/SE∠75°为上游拉脱面[4]。右坝肩控制裂隙组合为：以裂隙面N60°～80°W/SW∠70°为侧滑面，以岩层层面为底滑面，以裂隙面N28°E/SE∠85°为上游拉脱面。考虑帷幕灌浆作用，渗透压力折减系数取0.5。

3 设计结果

大坝为双心园双曲混凝土拱坝，左、右拱端控制点坐标分别为：XA=41952.8469、YA=91121.2592；XB=42118.8150、YB=91266.0039。拱坝中心线方位角为N49.546°E，顶拱中心角90°，左岸顶拱半径158.366 m，右岸顶拱半径149.805 m，坝轴线长268.960 m，两坝肩及河床段坝基置于弱风化基岩中、上部, 河床建基面高程825 m，坝顶高程883.10 m，最大坝高58.1 m，坝顶宽6 m，坝底最大宽度20.0 m，大坝厚高比0.344。

溢洪表孔布置在河床段顶中部，溢流净宽12.0 m，堰顶高程877 m，其上设置3 孔溢流表孔，分别设4 m×4 m 的平板钢闸门,溢流堰为WES 型实用堰；放空底孔布置在左坝段0+133.203处，喇叭型进口，进口布置有检修闸门井，设置事故检修闸门一道和相应的启闭设备，出口设置弧形工作闸门一道和相应的启闭设备，出口设置挑流鼻坎。灌溉工程取水口布置在大坝左坝段0+151.877 处，采用岸塔式进水口，由取水口拦污栅，进口检修闸门井、渐变段，后接直径为1.2 m（壁厚12 mm）的Q235 钢管，坝后布置闸阀室，闸室内设置调流阀控制流量，出口接消力池，总干渠接上水总干渠，环境水管道埋设于消力池边墙上。