库尔干水库枢纽大坝结构设计研究

詹 超

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

大型水利工程修建具有十分重要的意义，有利于改善当地水环境条件，改变水资源时空分布不均匀的现状。准确选取坝址和坝型具有十分重要的意义，有利于节省工程投资，保证工程的安全性[1-3]。坝址选取应当综合考虑施工、投资、建筑材料以及水工结构参数等因素。分析坝体结构应力可为坝体设计提供依据。张勇超等[4]基于Drucker-Prager准则分析了梯形拱坝的弹塑性渐进破坏过程，获取拱坝极限承载力；卢伟敏[5]结合工程实例，研究了堆石坝的动力响应特征；李振纲[6]利用数值模拟方法分析堆石坝应力分布特征，为坝体材料分区提供参考；李富忠等[7]分析了毛藏寺电站堆石坝的应力分布特征，认为堆石坝安全性较好；陈丹等[8]通过应力分析，对高拱坝设计进行优化。以库尔干水利枢纽工程为例，对坝址、坝型选取进行比选，并分析坝体应力分布特征，为坝体设计提供参考。

1 工程概况

库山河流域位于新疆维吾尔自治区西南部，为解决当地水资源时空分布不均的缺点，修建库尔干水利枢纽。工程坝址以上集水面积2141km2，多年平均年径流量6.52亿m3。库尔干水库正常蓄水位2105m，相应库容12089万m3(淤积30年剩余库容9006万m3，下同)；死水位2065m，死库容1494万m3(129万m3)，调节库容10595万m3(8877万m3)。库尔干坝后水电站装机容量24MW，多年平均年发电量0.859亿kW·h。

3 坝址及坝型选取

3.1 坝址比选

根据现场调查成果，库尔干水库枢纽工程共有上、中、下三个坝址可供选取。上、中、下3个坝址相距分别相距8km、2.5km，三个坝址工程任务相同，交通、气候条件基本相同。3处坝址比选结果见表1。

综合考虑各处坝址的工程投资以及施工难度情况，选择中坝址作为推荐坝址区。

3.2 坝型比选

在新疆地区两种常见的坝型是沥青心墙坝和混凝土面板坝，现对两种坝型进行比选，见表2。

(a)上坝址

(b)中坝址

(c)下坝址

图1 各坝址地形特征

表1 坝址比选

表2 坝体类型比选

综合考虑采用沥青心墙坝具有耐久性好，坝体填筑工程量较小的特点，虽然工程投资略高，但坝体优点较为显著，因此，推荐沥青心墙坝作为推荐坝型。

4 沥青心墙坝结构设计及应力分析

4.1 坝体结构设计

4.1.1 坝址区地质情况

库区主要分布有侏罗系、白垩系和第四系地层。基岩为侏罗系和白垩系地层，岩性以砂岩、泥岩为主，属软岩、较软岩，基岩节理裂隙不发育，岩层走向与河谷斜交，库区无区域性断裂通过。侏罗系地层为灰黑色粉砂岩、炭质泥岩、泥灰岩夹煤线及薄层砂岩、砂砾岩，分布于库尾；白垩系地层为砖红色、棕红色石英砂岩、细砂岩、砂质泥岩夹砾岩，分布于库区两岸，是库区的主要地层；第四系地层在库区广泛分布，岩性为砂卵砾石夹含土块碎石层、砂砾石、砂卵砾石层、风积(Q3eol)黄土。

4.1.2 坝体结构

挡水建筑物采用碾压式沥青混凝土心墙坝，坝顶高程2109.50m，最大坝高82.0m，坝顶长度702m，坝顶宽度10m，上游坝坡与围堰结合，坝坡为1∶2.25，下游设之字形永久上坝道路，马道间局部坝坡为1∶2.0，下游综合坝为1∶2.22。坝体填筑分区从上游至下游分为：上游砂砾料区、上游过渡区、沥青混凝土心墙、下游过渡区、下游砂砾料区。心墙厚为0.6-1.0m，在底部做放大基础与混凝土基座相连，心墙顶部距坝顶2.0m，与坝顶防浪墙衔接，形成封闭的防渗结构。上游坝坡采用现浇混凝土护坡，下游坝坡采用混凝土网格梁回填砂砾料护坡。同时，为增强大坝抗震稳定性，在2107.5-2083.5m高程坝顶区域内铺设钢塑土工格栅。沥青心墙坝典型剖面见图2所示。

图2 沥青心墙坝典型剖面

4.2 坝体应力分析

4.2.1 数值模拟模型及材料物理参数

依据图2建立沥青心墙坝数值模拟计算模型。各材料计算参数见表3、表4。其中混凝土及基岩采用摩尔-库伦模型，其他材料使用邓肯-张模型。

表3 数值模拟计算材料参数一

4.2 计算结果

4.2.1 心墙处不同高度应力特征

心墙处不同高度应力计算结果见图3，从图中可知随着高程增加，心墙处的应力逐渐减小，主要表现为压应力，在靠近坝肩位置逐渐出现了部分拉应力。

表4 数值模拟计算材料参数二

K、Kur、Kb分别为模量系数、卸载模量切线体积模量；C、φ为黏聚力、内摩擦角；△φ为内摩擦角衰减系数；n、m分别为模量指数、切线体积模量指数；Rf为破坏比；ρ为密度；γ为容重；μ为泊松比；E为弹性模量。

图3 心墙处不同高度应力分布特征(轴线处)

4.2.2 垂直水流方向心墙应力分布特征

垂直水流方向心墙应力计算结果见图4，从图中可知，应力在坝体与河谷连接部位较大，沥青混凝土心墙在靠近坝肩部位时出现拉应力，其他部位均表现为压应力，与河谷距离越近，拉应力值越大。

图4 垂直水流方向心墙应力分布特征(轴线处)

5 结 论

通过3处坝址及两种坝型比选，选择中坝址和沥青混凝土心墙坝作为库尔干水库大坝的坝址和坝体类型，具有工程投资合理，施工难度低，耐久性好等优势；通过数值模拟发现，随着高度增加心墙(轴线处)压应力逐渐减小，在坝肩部位出现部分拉应力，其余部位均为压应力。垂直水流方向上在坝肩部位出现拉应力，其余部位为压应力，距离河谷越近，拉应力值越大。在坝体设计过程中应注重加强坝肩、坝顶部位心墙的强度，避免出现拉张破坏，导致坝体安全性降低，影响枢纽工程的正常使用以及流域范围内居民的正常生产生活。