碾压混凝土双曲拱坝设计研究

2023-07-08赵青张敏赵勤霞

中国水运 2023年6期

赵青，张敏，赵勤霞

（1.黄河水利职业技术学院水利工程学院水利水电建筑工程教研室，河南开封 475004；2.黄河水利职业技术学院水利工程学院安全技术与管理教研室，河南开封 475004；3.青海大学，青海西宁 810016）

1 工程概况

江西某水电站流域面积208km2。正常的蓄水位为735m，最大坝高近140m（在实施过程中如果坝基的条件较为优秀，坝基高度则整体抬高7m，故实际最大坝高达130m），其中总库容将近3000 万方，调节库容1600 万方。水库总装机容量达50MW，保证输出5.2MW，均年发电量1.02 亿千瓦时。水电站之枢纽工程达到二等中小型工程的规模[1]。由于该水电站的坝高超过100m，故建筑物提高一级级别到二级。按照每一百年一次遭受洪水、五百年一次遭受洪水的规定进行设计和校正考核泄水和修建大坝的结构物；按照每三十年就要遭受一次洪水的标准来设计出消能和防冲击性建筑。

2 拱坝体型设计

2.1 拱坝布置

该水电站的主要建筑物由GIS 楼和发电引水隧洞等组件组成。用来引水发电的全隧洞长近6km，引用流量21m3/s，其中安置了直径为9 米的简便防渗调压井。水电站堤身顶拱最大角82°，顶拱长120m，拱冠顶厚6m，底厚23m，高厚比达到0.176。坝身采用泄洪表孔，布置三孔以宽度和高度分别为11m 和8m 的表孔铸于堤身，顶高730m，采用为弧形的控制闸门，坝顶平面结构布置见图1。采用窑洞方案开挖坝肩，洞顶高750m，顶宽10m 左右，洞深约14m。

图1 坝平面布置图

2.2 拱坝计算方法

本工程中进行计算时，利用了拱坝试载法程序静动分析法（中国水利科学研究院抗震结构中心），分载法的计算原理为在拱坝中选取一些双宽悬臂坝梁和双高水平坝拱，把水的荷载给若干梁、拱单元均匀分配，使得梁与拱的交界线位置在变位一致的指定方向[2]。在变位中，由于变位并没有完全相同，故要改变径向变位，再重新调控改变拱梁的负荷，直至拱梁的各个共轭点径向变位达到基本完全相同，径向变位值增加到MAX 时，各个点的扭转变位和其他各点的切向变位不会凑巧相同，想使两种变位的切向、扭转角变位也达到一致，就需要在拱和梁之间增添内力促，接着改变整合径向负荷的调控，像这样反复地计算，直到相应的结点的径向、切向和角变位基本一致方可以得出计算结果。

2.3 拱坝体型选择

拱坝的体形我们一共拟定了三种方案来进行施工，分别是抛物线拱、三心圆拱和五心圆拱，通过对以上详细数据的表格我们可以进行数学模型的对比分析，从而能够清晰地规划出三个线形的单曲拱坝方案中更优化的一部分[3]。接下来反复调度三种已选择的拱坝方案中——中心角、拱端厚度和半径等数据，可以得出如下：①上游面最大拉应力；②上游面最大压应力；③下游面最大拉应力；④下游面最大压应力情况等四种负荷数据[4]。详情见坝型应力数据计算表，如下表1 所示。

表1 各个坝型应力数据计算成果表

根据上表所示，抛物线拱方案与三心、五心圆拱之类多心圆拱方案的上下游面之间都能满足拉应力设计控制标准（规定一点五兆帕），最大拉应力上下浮动水平较小，但很明显，比起来抛物线拱方案，多心圆拱方案的压应力大许多，而多心圆拱方案的上游面在右岸拱端高程650m 处的部位[5]，MAX、MIN 值分别为7.45MPa、7.06MPa，与6MPa 的控制标准不符合。故最后得出的结论为抛物线拱方案最符合本次施工规范要求。

2.4 抛物线拱坝型参数

水电站大坝拱冠梁和水平拱圈都采用了抛物线，拱冠梁——下游曲线为抛物线方程，这些方程为：

下游面Y下=0.00438257382943×Z2-2.8592364326238944×Z+484.948326632544384

上游面Y上=0.00487632865623×Z2-1.837862342334774×Z+605.7549365325472384

中面Y中=0.003724686453274×Z2-2.7832462547542776×Z+667.36243268737883284

拱冠梁二次方程图像曲线的开口向下，拱圈抛物线的参数方程为：，R 同上，为中心角。二次方程，其中B 为拱冠的凸度，R 为x=0 处的曲率半径。表2为左侧拱参数抛物线，表3 为右侧拱参数抛物线[6]。

表2 防渗墙性能检测结果

表3 二次方程右侧拱参数

3 大坝外形结构设计

3.1 坝体材料分区设计

我们知道混凝土大坝对坝体应力以及温控等诸多方面都有明确的施工规范要求，以这些要求为准则，可以将混凝土进行如下分区（见上方拱坝剖面图2）：

图2 拱坝剖面图

（1）大坝顶层坝面690m 以下5m 厚、670m 以上3m 厚的防渗层采用C0805 级碾压混凝土，防渗等级W1005。

（2）电站坝主体部分670m 以下采用C0805 型混凝土，670m 以上使用C0805 型混凝土。

（3）闸墩采用C0805 型号混凝土浇筑；由于其表孔双宽水流量非常大、且流动速度极快，[7]在溢流面采用1m 厚的C0805 型号混凝土，具有抗冲耐磨的效果。

3.2 坝体分缝设计

结合我们水电站大坝河谷U 型特点，建立起大坝的基面。600m 高程大坝拱圈的弧长只有不到35m，630m 拱圈弧长63m，而坝顶弧长将近120m，必要分析围岩强度拥有堤身未自然降温时即可引水发电的性能，而且拥有层间破碎带碾压式施工，推进工作实施效率进程的特质，该缝的元素构成精简，工程工艺进展容易得到保证。本水电站拱坝安排一号、二号两条诱导缝，诱导缝从650m 到顶部，650m 以下堤身全部灌溉，一号、二号两条缝将650m 以上堤身分为三段。

3.3 坝体结构优化设计

本次工程大坝最高者690m，属于大中坝，依据《混凝土双曲拱坝设计规范》(SL483-2020)的标准。一比零点五的强风化地层结构，1：1 土质边坡，对地质条件不达标的区域发掘边坡采用锚以及网，或喷连结支持解决。水电站坝基发掘显示出的薄脆中间层区域进行非整体的深度发掘重新填置混凝土。[8]

巩固灌浆。在水电站坝基开始施工的过程中，工程爆破会有一定的概率使岩体受到巨震而松动，会导致其承载力的降低，而且具有一系列缝隙往堤身岩体内部贯通的可能性。对堤身岩石层作巩固灌溉，优化基础载重性能，是保证堤身稳固的必要条件。巩固灌浆孔在全体坝基面分布，沿堤身底部方向呈雪花状按六排安置，排距3m，大坝基础横向孔间隔距离3m，深8m，灌浆压力控制在0.6MPa 左右。[9]

防渗处理。根据最短标准敲定两岸防渗帷幕线，堤身段灌浆中间区域弧线布置，孔距两米，大坝基础边界灌浆工程在灌浆回廊中按2km 高程以下进行，而2km高程以上的从堤身打孔进行，帷幕灌浆MAX 孔深近70m。在灌浆平洞处重点针对两边的防渗帷幕开始修筑，平洞的规模构建，是宽和高分别为3m、3.5m 的洞型隧道洞，由基岩参照标准可规划，本工程将拆成两期完成右侧灌浆，第一期防漏界跨越第三脆裂带，平洞长近200m，双排置换，第二期工程防漏界限位于同规模溢洪道与常规库水位交界处，一平洞长近400m，左侧总长578m，中心线角度东14°，灌浆孔距两米，双排布置，孔深MAX70m；右侧隧道洞长258m，中心线角度西54°，灌浆孔距2m，双排布置，孔深MAX66m。