明 亮

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

赫章縣河口水庫工程拱壩設(shè)計(jì)

明 亮

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

基于目前水庫工程中拱壩壩型在樞紐布置及工程投資經(jīng)濟(jì)性方面具有較大優(yōu)勢，且越來越多的項(xiàng)目會涉及拱壩方案，本工程通過實(shí)例對拱壩的設(shè)計(jì)內(nèi)容及過程作了較為詳細(xì)的說明，為類似工程設(shè)計(jì)人員提供參考。結(jié)果表明，水庫工程拱壩設(shè)計(jì)人員要通過優(yōu)化首部樞紐建筑物工程總體布置、壩體布置、大壩體型、溢洪道設(shè)計(jì)、材料及質(zhì)量、壩體構(gòu)造、誘導(dǎo)縫設(shè)置、固結(jié)灌漿,以及防滲帷幕處理效果來提高拱壩設(shè)計(jì)應(yīng)用的科學(xué)合理性，以實(shí)現(xiàn)水庫工程大壩建設(shè)的可持續(xù)性使用目標(biāo)。

拱壩設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；溢洪道設(shè)計(jì)

1 工程概況

赫章縣河口水庫位于烏江一級支流六沖河的上游河段上。工程任務(wù)為城鄉(xiāng)和工業(yè)供水、灌溉及發(fā)電。工程樞紐主要由大壩樞紐工程、供水及灌區(qū)工程組成。水庫正常蓄水位為1663.5 m，對應(yīng)庫容3287 萬m3；校核洪水位1666.26 m，總庫容3739 萬m3；工程等別為Ⅲ等，水庫規(guī)模為中型。壩后電站裝機(jī)容量7000 kW。

2 拱壩設(shè)計(jì)

2.1 首部樞紐建筑物工程總體布置

根據(jù)方案比選結(jié)果，壩型為碾壓混凝土雙曲拱壩。大壩樞紐由攔河大壩、壩頂溢洪表孔、沖砂底孔、引水隧洞及發(fā)電廠房等主要建筑物組成。其中，引水系統(tǒng)進(jìn)水口布置在河道左岸，為岸邊井筒式有壓取水，由于取水口建筑物與大壩分開布置，本文對取水口設(shè)計(jì)不作論述。

2.2 壩體布置

大壩主體材料為C15三級配碾壓混凝土。大壩上游面設(shè)50 cm厚C20二級配變態(tài)混凝土。緊貼變態(tài)混凝土下游側(cè)設(shè)C20二級配碾壓混凝土，厚度按高度分三級，分別為1.5 m，3 m及4 m。大壩下游面為50 cm厚C15三級配變態(tài)混凝土。壩體設(shè)有兩層廊道，廊道底板高程分別為1630 m、1602 m，上層為排水廊道，下層為排水及灌漿廊道，廊道斷面尺寸(寬×高)2.5 m×3.0 m。壩基置于弱風(fēng)化基巖中下部，建基面最低高程1585 m。

2.3 大壩體型

大壩為雙圓心圓弧拱壩，壩頂寬6 m，最大壩底寬20 m，壩頂弧長193.312 m。右岸頂拱半徑121.141 m，左岸頂拱半徑138.682 m。大壩體型主要幾何參數(shù)見表1和表2。

表1 拱壩體形特征參數(shù)表

續(xù)表1

表2 拱壩體形特征參數(shù)表

2.4 溢洪道設(shè)計(jì)

2.5 材料及質(zhì)量要求

大壩主體材料采用90 d齡期三級配C15碾壓混凝土，抗?jié)B標(biāo)號W8，抗凍標(biāo)號F50；大壩基礎(chǔ)設(shè)置1.0 m厚二級配C20常態(tài)混凝土墊層，抗?jié)B標(biāo)號W8, 抗凍標(biāo)號F50。大壩上游面采用90 d齡期C20二級配變態(tài)混凝土，50 cm厚，抗?jié)B標(biāo)號W8,抗凍標(biāo)號F100；緊貼上游變態(tài)混凝土下游側(cè)設(shè)C20二級配碾壓混凝土，厚度按高度分三級，分別為1.5 m，3.0 m及4.0 m，抗?jié)B標(biāo)號W8, 抗凍標(biāo)號F50；大壩下游面為50 cm厚C15三級配變態(tài)混凝土，抗凍標(biāo)號F50。壩體廊道采用C20常態(tài)混凝土，最小厚度40 cm。

2.6 壩體構(gòu)造

2.6.1 壩體分縫

大壩壩身設(shè)6條橫縫，將壩體分為7個壩段，壩段長度17.2～28.8 m不等，橫縫上游設(shè)置兩道銅片止水，縫內(nèi)安裝重復(fù)灌漿系統(tǒng)，下游設(shè)一道銅片止水。大壩澆筑完成后，壩體混凝土溫度達(dá)到封拱溫度后，對其進(jìn)行接縫灌漿。

2.6.2 壩內(nèi)廊道及交通

壩體設(shè)有兩層廊道，廊道底板高程分別為1630 m、1602 m，上層為排水廊道，下層為排水及灌漿廊道；廊道斷面尺寸(寬×高)2.5 m×3.0 m。上層廊道的上游壁離上游壩面的距離為4.1 m，下層廊道的上游壁離上游壩面的距離為4.9 m，均能滿足規(guī)范0.05～0.1倍壩面作用水頭，且不小于3.0 m的要求。

大壩交通可采用壩后梯步型式，通過壩后梯步連接壩頂至廊道及底孔出口啟閉機(jī)室。

2.6.3 壩體止水和排水

本工程壩體止水部位主要有壩體橫縫上游面、校核尾水位以下的橫縫下游面等部位。橫縫上游設(shè)置兩道銅片止水，縫內(nèi)安裝重復(fù)灌漿系統(tǒng)，下游設(shè)一道銅片止水。大壩澆筑完成后，壩體混凝土溫度達(dá)到封拱溫度后，對其進(jìn)行接縫灌漿。

廊道排水系統(tǒng)由排水管與各層廊道排水溝組成。上、下層廊道之間設(shè)有排水孔，排水孔直徑15 cm，孔距3.0 m。在防滲帷幕下游側(cè)，在下層廊道與大壩基礎(chǔ)之間也設(shè)有排水孔，排水孔直徑15 cm，孔距3.0 m。

上層排水廊道底板高程高于下游校核洪水位，可采用自流排水方式。下層排水廊道底板高程高于下游常年水位，但低于下游校核洪水位。因此，在大壩未泄洪時，下層廊道也可采用自流排水方式[1]。但在泄洪期間，需采用水泵抽排[2]。

2.7 控制措施

(1)拱壩分縫分塊澆筑，減小單塊體積，降低壩體溫升。本大壩共設(shè)6條橫縫，不設(shè)縱縫，將壩體分為7塊進(jìn)行澆筑，各壩塊在澆筑時均勻上升，相鄰塊高差≤12 m，相鄰塊澆筑時間間隔≤30 h。

(2)封拱溫度(封拱時日平均溫度)控制在年平均氣溫以下，但≥5 ℃，本地區(qū)多年平均氣溫13.3 ℃，綜合考慮取封拱平均溫度為13.3 ℃。

(3)水泥需采用低熱水泥，在不影響混凝土強(qiáng)度和耐久性的前提下，應(yīng)使用外加劑以及改善混凝土級配、加摻合料等綜合措施降低水泥用量，減少發(fā)熱量?？刂苹炷了冶取?.5。

(4)對于本工程，溫控措施主要是采用一些易行的方法，主要為埋設(shè)冷卻水管結(jié)合倉面噴霧，錯開高溫時段，砂石骨料防曬措施。通水時壩體混凝土溫度與冷卻水之間的溫差≤25 ℃，壩體降溫速度每天≤1 ℃。

(5)對壩面、層面、側(cè)面進(jìn)行保溫和保濕養(yǎng)護(hù)。大壩施工在低溫季節(jié)，當(dāng)氣溫<5 ℃時，要對已建壩段進(jìn)行保護(hù)。防護(hù)方法主要是覆蓋草墊或麻袋[3]。

2.8 誘導(dǎo)縫設(shè)置

為了防止產(chǎn)生溫度裂縫，國內(nèi)外普遍在碾壓混凝土壩中采用了誘導(dǎo)縫這種分縫形式，即在壩內(nèi)可能產(chǎn)生裂縫的橫截面預(yù)先設(shè)置人工縫，人為地在壩體內(nèi)構(gòu)造薄弱面。當(dāng)壩體溫度全面下降時，誘導(dǎo)縫所處的薄弱面能首先拉開，達(dá)到消散壩體應(yīng)力、按預(yù)定要求引導(dǎo)溫度裂縫開裂、控制裂縫發(fā)展方向，以避免壩體產(chǎn)生無規(guī)則裂縫的目的。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置的誘導(dǎo)縫能否充分發(fā)揮作用，一方面取決于誘導(dǎo)縫的開裂條件，另一方面取決于誘導(dǎo)縫所在壩面的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。由于誘導(dǎo)縫是靠自身受拉應(yīng)力的放大先誘導(dǎo)壩體在縫處開裂，故誘導(dǎo)縫必須布置在壩體拉應(yīng)力較大的部位，縫處的拉應(yīng)力放大后應(yīng)大于其相鄰壩塊內(nèi)的任何拉應(yīng)力值。誘導(dǎo)縫一般設(shè)置在拱端和拱冠附近拉應(yīng)力較大的斷面，以便在壩體應(yīng)力增大時首先張開，可充分發(fā)揮預(yù)期效果。

結(jié)合本工程應(yīng)力分析結(jié)果，壩體應(yīng)力在兩岸拱座部位最大，為保證誘導(dǎo)縫能在壩體開裂之前開裂，應(yīng)將誘導(dǎo)縫設(shè)置在應(yīng)力大的區(qū)域，即本壩的拱端。若遠(yuǎn)離高拉應(yīng)力區(qū)，則誘導(dǎo)縫有可能無法拉開，而導(dǎo)致壩體的無序開裂。

2.9 固結(jié)灌漿

左、右壩肩均為斜向坡，卸荷均有一定的深度，對兩壩肩及壩基都應(yīng)做固結(jié)灌漿處理，而對于局部破碎巖體及溶蝕風(fēng)化囊等應(yīng)加密固結(jié)灌漿[4]。

大壩基礎(chǔ)開挖過程中，爆破震動可能使巖體松動，從而降低其承載力。為保證壩基巖體的完整性，須對全壩基作固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿孔間、排距均為3.0 m，深度為6.0 m，梅花型布置,灌漿壓力0.3～0.6 MPa。

2.10 防滲帷幕處理

水庫滲漏主要為壩基滲漏及庫首繞滲，需作防滲處理，擬采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理。防滲帷幕線路的選擇原則為：兩壩肩至河床一帶沿軸線布置，由于巖層傾向下游，傾角60°～70°，越往遠(yuǎn)端，兩岸T1yn2相對隔水層在地表分布高程越高，防滲路線宜布置自壩端起向上游反接。由于在大壩上游約70～150 m的地方分布著三迭系永寧鎮(zhèn)組第二段(T1yn2)的地層，巖性為泥頁巖夾泥灰?guī)r及砂巖，可作為相對隔水層利用。因此，兩岸防滲端頭考慮接T1yn2的泥頁巖并伸入10 m作為防滲端頭。壩區(qū)水文地質(zhì)情況說明：河流為補(bǔ)給型，無大的巖溶管道滲漏，滲漏形式主要表現(xiàn)為裂隙性滲漏及局部裂隙性風(fēng)化深槽滲漏。根據(jù)河床鉆孔揭露，在孔深44 m(高程1558.2 m)以下分布為三迭系永寧鎮(zhèn)組第二段(T1yn2)的地層，巖性為泥頁巖夾泥灰?guī)r及砂巖。因此，河床部分考慮接T1yn2的泥頁巖并伸入10 m，同時按0.6倍壩高作為防滲底界，兩岸以從端點(diǎn)深入10 m作為防滲帷幕的底界。

3 結(jié) 論

本工程拱壩設(shè)計(jì)具有一定的代表性，對于較對稱“V”形河谷應(yīng)盡量采用拱壩壩型。初步設(shè)計(jì)報告于2016年8月取得批復(fù)文件，專家認(rèn)為本工程大壩設(shè)計(jì)是合理的，設(shè)計(jì)過程中考慮的因素也是合理的。

[1] 張建華，王棟． 洞河水庫拱壩體型設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析[J]． 陜西水利，2015(6)：155-157.

[2] 楊正兵． 觀音巖水庫碾壓混凝土雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]． 水利科技與經(jīng)濟(jì)，2013(9)：25-27.

[3] 陳佐豪,苗杰. 拱壩壩肩抗滑巖體遭破壞后的抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算分析[J]. 陜西水利,2016(6):51-53.

[4] 楊正猛,廖聲海. 基于水庫攔蓄壩拱壩設(shè)計(jì)[J]. 黑龍江水利科技,2014(5):19-21.

明 亮(1978-)，男，黎族，貴州鎮(zhèn)寧人，高級工程師。主要從事水利水電設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail:377301377@qq.com。

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