□王慶勇（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局）

北疆山口電站常態(tài)混凝土拱壩體型的確定

□王慶勇（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局）

文章以新疆北疆山口電站為實(shí)例，結(jié)合該電站常態(tài)混凝土雙曲拱壩址的地形和地質(zhì)條件，通過分析確定拱冠梁頂部、中部、底部的尺寸，壩肩拱端嵌深和倒懸度，以及拱圈線型選擇等問題，進(jìn)行壩型設(shè)計(jì)及優(yōu)化，并對(duì)高拱壩體形設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原則等進(jìn)行了闡述，最終確定該拱壩體型為雙曲拱壩，以期對(duì)類似工程有一定的參考和借鑒價(jià)值。

北疆山口水電站；雙曲拱壩；體形設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1　工程概況

北疆山口電站工程主要由常態(tài)混凝土雙曲拱壩、溢流表孔、放水深孔、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房幾部分組成。大壩最大壩高94.00 m，壩頂高程649.00 m，正常蓄水位646.00 m，總庫容2.22×108 m3，壩頂全長319.65 m，分為22個(gè)壩段，不設(shè)縱縫，采用深孔和溢流表孔的方式泄水。

2　拱壩體型設(shè)計(jì)

2.1拱壩建基條件

北疆山口電站工程河谷形狀為“V”字形，兩岸地形坡度50～60，正常蓄水位646 m時(shí)，河谷寬約278 m，天然河谷寬高比為2.96，壩址區(qū)出露地基巖體主要為中泥盆統(tǒng)阿爾泰組（D2a-2）厚層-巨厚層狀灰白色花崗片麻巖，微～新鮮巖體質(zhì)量屬AⅡ類巖體，兩岸為（D2a-2）厚層-巨厚層狀灰白色花崗片麻巖和（D2a-3）薄層-中厚狀灰黑色黑云母斜長片麻巖，微風(fēng)化～新鮮巖體質(zhì)量屬AⅡ、BⅢ1類，新鮮巖石致密堅(jiān)硬，壩區(qū)壩基范圍內(nèi)斷層不發(fā)育，無制約性的斷層和節(jié)理，僅左岸發(fā)育一組斷續(xù)延伸的緩傾角裂隙，傾向下游偏向岸里，走向山內(nèi)，左右岸壩肩不存在壩肩抗滑穩(wěn)定邊界條件，壩基巖體無影響整體穩(wěn)定的貫穿性結(jié)構(gòu)面，具備修建中厚拱壩的地形、地質(zhì)條件。

初步擬定拱壩體形為雙曲拱壩，水平拱圈型式采用單心等厚圓弧拱圈，因兩岸地形基本對(duì)稱而采用兩岸相同半徑的單心雙曲拱壩。

2.2拱壩設(shè)計(jì)原則

北疆山口電站工程拱壩體型設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：

第一，結(jié)合壩址地形地質(zhì)條件，在滿足壩體強(qiáng)度、應(yīng)力要求的前提下，合理布置拱圈平面形狀與位置，使拱圈適當(dāng)扁平化，盡量使拱端推力指向山體內(nèi)部，改善壩肩穩(wěn)定條件。

第二，拱壩壩身開孔，壩體厚度不宜太薄，應(yīng)有足夠的剛度，以保證大壩整體穩(wěn)定，同時(shí)有利于泄水的布置。

第三，提高壩體對(duì)基礎(chǔ)變形模量的適應(yīng)能力。

第四，考慮施工，嚴(yán)格控制壩體倒懸度，不設(shè)施工縱縫。

3　壩頂高程確定

壩頂高程由水庫靜水位（正常蓄水位或校核洪水位）加安全超高△h比較確定，△h按下式計(jì)算并選其最大值：

波高、波長均采用《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL282-2003（B.5）官廳水庫公式計(jì)算，公式適用于山區(qū)峽谷水庫，且υ＜20（m/s），D＜20（km）。

壩體建基面嵌深根據(jù)壩高和地質(zhì)條件確定，不僅要滿足開挖到若風(fēng)化下部下限的條件，同時(shí)還受兩岸壩肩穩(wěn)定條件的控制。大壩主河床地基巖體主要為灰白色花崗片麻巖，微風(fēng)化～新鮮巖體屬AII類巖體，綜合上述因素并結(jié)合本工程情況，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，經(jīng)計(jì)算確定：壩頂高程為：649.00 m，基礎(chǔ)開挖高程為：555.00 m，最大壩高為：94.00 m

4　拱冠梁斷面的確定

4.1拱梁頂部寬度確定

拱冠梁壩頂寬度按下列經(jīng)驗(yàn)公式確定：

①《混凝土拱壩設(shè)計(jì)》和《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第5分冊(cè)混凝土壩》的建議經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：TC、H、L為壩頂厚度、高度和壩頂弦長，均以m計(jì)。

②《水工建筑物》的建議公式：

式中：TC—拱冠梁的頂厚，m；ΦC—頂拱的半中心角，rad；rC—頂拱的中心線半徑，m；Rf—混凝土極限抗壓強(qiáng)度，C25混凝土極限抗壓強(qiáng)度Rf=2000 t/m2；E—混凝土彈模，C25混凝土E彈性模量E=2000000，t/m2。

4.2拱冠梁底部厚度確定

拱冠梁底部厚度，按下列經(jīng)驗(yàn)公式估算：

①《混凝土拱壩設(shè)計(jì)》和《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第5分冊(cè)混凝土壩》的建議經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：TB—梁底寬度河谷平均開挖寬度（底部起算點(diǎn)可設(shè)在0.15H處），m；H—壩高，m；［ ］Б —混凝土容許壓應(yīng)力，t/m2。

②美國肯務(wù)局建議公式：

式中：L1—壩頂處的河谷寬度，m；L2—壩底處的河谷寬度，m；H—壩高，m。

結(jié)合上述計(jì)算，同時(shí)考慮混凝土施工機(jī)具的運(yùn)轉(zhuǎn)要求，以及運(yùn)行期壩頂車輛的交通要求，擬定壩頂寬度為Tc=6.00 m，壩底寬度根據(jù)應(yīng)力分析成果擬定為TB=25.00 m。

4.3拱冠梁中部0.45H（H為壩高）處的厚度（T0.45H）的確定

①《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第5分冊(cè)混凝土壩》和《水工建筑物》的建議公式：

②美國肯務(wù)局建議公式：

結(jié)合上述計(jì)算，拱冠梁中部厚度T0.45H=14.54 m。

5　壩肩拱端嵌深和倒懸度的確定

5.1拱端嵌深確定

北疆山口電站工程左右岸拱端嵌入深度遵循以下原則：壩肩巖體穩(wěn)定；根據(jù)地質(zhì)平切圖進(jìn)行逐層拱圈的符合；盡量使每一層拱圈的拱端都座落在良好的灰白色花崗片麻巖上；由于拱壩布置的整體性，就會(huì)導(dǎo)致有些拱圈位置較好，有些拱圈可能已經(jīng)由于嵌入太深而引起超挖，甚至有些拱圈會(huì)部分座落在灰黑色斜長片麻巖上；在避免其它拱圈超挖的前提下，盡量使各層拱圈，尤其是1/3以上壩高部位的各層拱圈均座落在良好的灰白色花崗片麻巖上；1/3壩高以下部位接近建基面，且拱端受力處沒有臨空面，拱端基座比較雄厚，因此對(duì)這些拱圈的位置要求相對(duì)低了點(diǎn)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合各工況壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定的計(jì)算成果，確定各高程設(shè)計(jì)拱圈建基面利用巖體拱端嵌深分別為：555 m高程，左岸12 m，右岸7 m；567 m高程，左岸23.30 m；右岸14.80 m；579 m高程，左岸23.80 m；右岸19.70 m；592 m高程，左岸18.50 m；右岸18.70 m；605 m高程，左岸18.70 m；右岸17.90 m；620 m高程，左岸17.70 m；右岸16.10 m；635 m高程，左岸15.80 m；右岸13 m；649 m高程，左岸14 m；右岸12 m。

5.2倒懸度確定

混凝土拱壩倒懸度過大會(huì)增加施工難度，甚至無法施工；到倒懸度太小，體型難以調(diào)整，在相同應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)下，小倒懸度比大倒懸度壩體混凝土方量要大，不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)自重拉應(yīng)力一般不超高0.30～0.50 MPa，通過計(jì)算分析確定，壩面倒懸度不易超過0.30：1.00，拱冠梁最大倒懸度為0.10。

6　拱圈線型選擇

工程實(shí)踐中常用的拱型有圓形拱和非圓形拱兩類。圓形拱通常指單心拱、兩心圓拱，非圓形拱包括、三心圓拱、拋物線拱等。由于拱壩設(shè)計(jì)必須使得壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定兩個(gè)條件同時(shí)滿足要求，所以圓形拱和非圓形拱都必須較好的兼顧壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定這兩方面的要求。根據(jù)國內(nèi)拱壩設(shè)計(jì)最新動(dòng)態(tài)，結(jié)合本工程壩址地形地質(zhì)條件，初步分析將擬定比較單心圓雙曲拱、橢圓曲線雙曲拱、拋物線曲線雙曲拱三種拱型，通過同等深度的比較后將推出最優(yōu)曲線雙曲拱壩體型。

本階段只對(duì)單心雙曲拱壩的體型、斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)應(yīng)力、壩肩穩(wěn)定等進(jìn)行了全面深入的分析。

7　拱冠梁斷面的確定及拱壩體型優(yōu)化

根據(jù)河谷形態(tài)、壩址地形、地質(zhì)條件、國內(nèi)外相近工程實(shí)例和有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式初步擬定拱壩的拱冠體型。布置設(shè)計(jì)中盡量使拱壩軸線與基巖面等高線在拱端處的夾角≥30°，并使兩端夾角大致相近，拱冠梁的上游面倒懸度一般不超過0.30：1.00，同時(shí)各層拱圈圓心在豎直面上圓心線聯(lián)線應(yīng)能形成光滑曲線，采用拱梁分載法對(duì)拱壩應(yīng)力進(jìn)行分析，并根據(jù)壩體應(yīng)力狀況對(duì)初擬體型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，優(yōu)化后得到拱壩壩體體型及參數(shù)見圖1和表1。

拱壩體型水平拱圈中心線采用拋物線線型。

圖1　優(yōu)化后拱冠體形圖

表1　混凝土拱圈體型參數(shù)表

（責(zé)任編輯：左英勇）

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王慶勇，（1977-），男，工程師，主要從事水利水電工程安全監(jiān)測(cè)工作。

2016-04-17