錢雪晉

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽 550002)

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枧槽溝水庫拱壩設(shè)計(jì)

錢雪晉

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽 550002)

枧槽溝水庫壩高54 m，為混凝土單心圓單曲拱壩。壩基地質(zhì)條件較復(fù)雜，壩高1/3以下壩基為松子坎組泥質(zhì)灰?guī)r，屬軟巖至中硬巖類；壩高1/3以上壩基為獅子山組灰?guī)r，屬硬質(zhì)巖類。采用ADASO拱壩應(yīng)力分析程序進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，用剛體極限平衡法進(jìn)行壩肩穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果表明，不同工況下應(yīng)力及穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

枧槽溝水庫；單心圓單曲拱壩；拱壩設(shè)計(jì)

1 工程概況

枧槽溝水庫位于息烽縣東北部，距縣城約1 km。水庫總庫容138萬m3，正常蓄水位1066 m，工程規(guī)模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等。大壩為混凝土單心圓單曲拱壩，壩頂高程1068 m，最大壩高54 m，最大底厚15.6 m，厚高比0.29，大壩為4級(jí)建筑物。

枧槽溝水庫工程具有以城鎮(zhèn)供水為主兼灌溉等功能，建成后將提供城鎮(zhèn)供水量238萬m3/a和承擔(dān)改善灌區(qū)33.33 hm2灌溉面積灌溉用水的任務(wù)。工程總工期24個(gè)月，總投資8724萬元。

2 壩址地形地質(zhì)條件

壩址位于川黔鐵路枧槽溝大橋上游約160 m處，為較對(duì)稱“U”型橫向河谷，兩岸地形坡度上陡下緩，地形坡角約50°～70°,河床寬15～30 m，河床高程1022～1025 m，設(shè)計(jì)正常蓄水位1066 m時(shí)，谷口寬約81 m，地形寬高比1.9。

壩址區(qū)左岸1035 m、右岸1040 m高程以上為三疊系獅子山組第一段(T2sh1)灰色中-厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾灰黃色白云巖；以下為三疊系松子坎組第二段(T2s2)薄-中厚層泥晶灰?guī)r和薄層泥質(zhì)白云巖、白云巖與雜色泥(頁)巖呈不等厚互層。巖層近SN走向、傾W(傾下游略偏左岸)，傾角28°～37°。

壩址區(qū)出露地層主要為三疊系中統(tǒng)獅子山組第一段(T2sh1)中厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，其中灰?guī)r、白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r屬硬質(zhì)巖類；松子坎組第二段(T2s2)薄至中厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖、鈣質(zhì)泥頁巖和泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r屬軟巖至中硬巖類。

3 拱壩布置及設(shè)計(jì)

擋水建筑物為C15常態(tài)混凝土單曲拱壩，拱壩壩頂寬5 m，壩底寬15.6 m，上游坡度m1=0，下游坡度m2=0.2，起坡點(diǎn)高程為1068 m。最大拱壩高54 m，厚高比為0.29，屬于中厚拱壩。最大外半徑65 m，最大內(nèi)半徑60 m，最大中心角109.689°。壩基高程1014 m，壩頂總長124.438 m。大壩左右兩岸為非溢流壩，河床段為溢流壩段。溢洪道設(shè)閘控制開敞式自由溢流，堰頂高程1063 m。溢流前沿凈寬12 m，壩頂設(shè)4 m×3 m(b×h)工作閘門，其上設(shè)寬為5 m的鋼筋混凝土人行交通橋。

拱壩共設(shè)6條橫縫，把整個(gè)壩體分為長17 m、17 m、17.588 m、23.97 m、16.442 m、16 m、16.438 m的7段。橫縫縫面設(shè)置梯形鍵槽，橫縫上游側(cè)及下游側(cè)各設(shè)1道1.5 mm厚的銅片止水，縫內(nèi)布置灌漿管進(jìn)行接縫灌漿。

在壩內(nèi)1027 m高程設(shè)置灌漿排水廊道，灌漿廊道兩端底板布置于1042.0 m高程，采用1∶1的坡度至1027 m高程。凈空尺寸為2.5 m×3.25 m城門洞型，30 cm厚鋼筋混凝土襯砌，靠下游側(cè)設(shè)置排水溝，通過壩內(nèi)預(yù)埋φ100排水管將水排出壩體。壩基排水孔設(shè)于大壩帷幕下游側(cè)，鉆孔深度為深入基巖10 m，鉆孔傾向下游，傾角5°，壩基排水引至下游，然后排至下游河道。

4 應(yīng)力及穩(wěn)定分析

4.1 壩體應(yīng)力分析

拱壩應(yīng)力計(jì)算采用中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所編制的拱壩多拱梁混合法應(yīng)力分析程序——《拱壩體形優(yōu)化程序ADASO》電算程序計(jì)算。

(1)荷載組合

基本組合1：正常蓄水位1066 m與下游無水+泥沙壓力(淤沙高程1037.85 m)+壩體自重+設(shè)計(jì)正常溫降+揚(yáng)壓力。

基本組合2：死水位1041.5 m與下游無水+泥沙壓力(淤沙高程1037.85 m)+壩體自重+設(shè)計(jì)正常溫升+揚(yáng)壓力。

基本組合3：設(shè)計(jì)洪水位1066.21 m與相應(yīng)尾水位1025.68 m+泥沙壓力(淤沙高程1037.85 m)+壩體自重+設(shè)計(jì)正常溫升+揚(yáng)壓力。

特殊組合：校核洪水位1066.98 m與相應(yīng)尾水位1026.42 m+泥沙壓力(淤沙高程1037.85 m)+壩體自重+設(shè)計(jì)正常溫升+揚(yáng)壓力。

(2)計(jì)算結(jié)果分析

基本組合1工況T2sh地層中最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程1045.4 m左拱端下游面，為1.9 MPa，T2s2地層中最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程1030.2 m拱冠上游面，為1.6 MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在高程1022.6 m拱冠下游面，為-1.07 MPa；

基本組合2工況地層中最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程1068.0 m右拱端上游面，為1.5 MPa；T2s2地層中最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程1030.2 m右拱端上游面，為1.3 MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在高程1022.6 m右拱端上游面，為-0.62 MPa；

基本組合3工況T2sh地層中最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程1068.0 m右拱端上游面，為2.1 MPa，T2s2地層中最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程1030.2 m右拱端下游面，為1.6 MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在高程1037.8 m左拱端上游面，為-0.8 MPa；

特殊組合工況T2sh地層中最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程1045.4 m左拱端下游面，為2.1 MPa；T2s2地層中最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程1030.2 m右拱端下游面，為1.6 MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在高程1037.8 m左拱端上游面，為-0.78 MPa；

綜上，T2sh地層中最大壓應(yīng)力值為2.1 MPa，T2s2地層中最大壓應(yīng)力值為1.6 MPa；最大拉應(yīng)力值為為-1.07 MPa。大壩基礎(chǔ)T2sh地層中灰色中-厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾灰黃色白云巖的允許壓應(yīng)力為3000～3500 kPa，T2s2地層中薄層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖的允許壓應(yīng)力為1800～2200 kPa，經(jīng)分析壩體各計(jì)算點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力值均滿足要求。

4.2 壩肩抗滑穩(wěn)定分析

(1)平面穩(wěn)定計(jì)算分析

在拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算中截取單位高度的壩體及巖體，在拱端的推力下，核算壩肩巖體的平面穩(wěn)定，拱壩的穩(wěn)定計(jì)算采取“剛體極限平衡法”計(jì)算拱壩的分層穩(wěn)定。壩肩力系由程序ADASO提供，本工程靜力計(jì)算共計(jì)算了四種工況，即三種基本組合、一種特殊組合。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

由表1可知，左岸基本工況最小安全系數(shù)為3.1，特殊工況最小安全系數(shù)為3.2，均分別大于規(guī)范要求3.0、2.5；而右岸基本工況一最小安全系數(shù)為2.7，不滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行空間穩(wěn)定計(jì)算[1]。

(2)空間穩(wěn)定計(jì)算分析

對(duì)1030.2 m高程以上進(jìn)行空間穩(wěn)定計(jì)算，采用剛體極限平衡法。計(jì)算假定[2]：①作用于滑移體上所有的力，可以合成一個(gè)合力；②在外力作用下，滑移體不發(fā)生變形，即為剛性塊體；③沿單一面的滑移，只有當(dāng)滑移力指向臨空面時(shí)才能發(fā)生；④沿兩個(gè)面的滑移，只能沿著它們的交線并該交線指向臨空面才能發(fā)生；⑤在垂直于滑移方向的平面上，不存在剪切。

通過計(jì)算1030.2 m高程以上空間抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.32，大于3.0，滿足規(guī)范要求。

5 基礎(chǔ)處理

大壩基礎(chǔ)開挖至弱風(fēng)化巖體中部的基巖，由于松子坎組各種巖體承載力不均勻，為了保證基礎(chǔ)受力均勻，提高基礎(chǔ)承載力，處于松子坎組地層的基礎(chǔ)除鋪設(shè)1 m厚的C15常態(tài)混凝土外須對(duì)泥巖等軟弱層采取局部深挖回填C15混凝土的處理措施。此外還須作固結(jié)灌漿處理，兩壩肩獅子山組巖體較為堅(jiān)硬，但為了提高其整體性和承載力也需進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔深均為5 m，呈梅花型布置，間排距均為3 m。左壩肩處于裂隙密集帶和卸荷裂隙，基礎(chǔ)適當(dāng)嵌深。壩基平均開挖深度為10.9 m，兩岸壩肩平均開挖深度為10.5 m，強(qiáng)風(fēng)化開挖邊坡為1∶0.5，覆蓋層開挖邊坡為1∶1。

6 結(jié) 語

采用ADASO拱壩應(yīng)力分析程序進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，采取剛體極限平衡法進(jìn)行壩肩穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，不同工況下應(yīng)力及穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

[1] 潘家錚.關(guān)于拱壩壩頭的穩(wěn)定分析[J].水利水電技術(shù)，1979(4)：14-21.

[2] 朱伯芳,高季章,陳祖煜,等.拱壩設(shè)計(jì)與研究[M].北京：中國水利水電出版社，2002，156-186.

錢雪晉(1985-)，男，工程師，主要從事水利水電工程建筑工作。

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