西冶水電站樞紐工程設(shè)計(jì)

衛(wèi)建文

（晉城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 晉城 048000）

1 概況

西冶水電站位于陽城縣東南蟒河鎮(zhèn)石板村附近的西冶河干流上，是西冶河上游開發(fā)利用的控制性工程。水電站總庫容630萬m3，興利庫容190萬m3，調(diào)洪庫容258萬m3，工程年供水量536萬m3，裝機(jī)容量475 kW。

壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)斷層，為單斜巖層。壩址呈不對(duì)稱“U”形谷，壩基出露地層為奧陶下統(tǒng)冶里組第三巖組中厚層狀白云巖，巖性堅(jiān)硬，巖溶發(fā)育較弱，主要為溶隙，局部為溶孔，工程地質(zhì)條件較好，滿足漿砌石重力拱壩持力層要求。

2 拱壩設(shè)計(jì)

樞紐工程大壩為等外半徑單曲拱壩，壩頂高程750.20 m，溢流段頂部高程745.00 m，最大壩高為31.6 m。拱壩壩軸線長176.30 m，其中溢流段軸線長56.5 m，拱壩頂拱中心角105.28°、外弧半徑96 m。壩頂最大弦長152.5 m，壩頂寬4.5 m。溢流壩分為8孔，每孔凈寬6 m，堰面曲線采用圓弧曲線，下游接反弧段，并做挑流鼻坎，反弧半徑6 m，挑流鼻坎頂高程741.90 m，上游壩坡高程728.6 m以下為1∶0.42，以上為鉛直面；下游壩坡高程733.0 m以下為1∶0.48，以上為1∶0.26，高程723.6 m以下為1∶0.8，壩底最大寬度24.0 m。

2.1 壩頂厚度確定

以頂拱外弧作為拱壩軸線，采用砌石拱壩厚經(jīng)驗(yàn)公式：

Tc=0.4+0.01（L+3H） ，

式中：Tc——壩頂寬，m；

L——壩頂軸線弦長，m，取L=152.5；

H——最大壩高，m，取H=31.6。

經(jīng)計(jì)算Tc=2.87，結(jié)合業(yè)主意見并考慮交通需要，取Tc=4.5。

2.2 壩底厚度確定

壩底厚度擬定根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)》經(jīng)驗(yàn)公式:

Tb=[0.132（L/H）0.269+2H/1 000]×H，

其中Tb為壩底厚度，經(jīng)計(jì)算得Tb=8.37 m。

由于壩體已于20世紀(jì)80年代砌筑至河床面，河床面壩體寬19 m，下游壩坡1∶0.8，建基面壩底厚度23 m，大于計(jì)算值，為利用已建壩體，本次設(shè)計(jì)壩底厚度在原設(shè)計(jì)厚度的基礎(chǔ)上，加1 m厚鋼筋混凝土防滲面板。

2.3 拱圈形式選擇

為充分利用已砌筑壩體，參照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以上游壩面為主，兼顧下游壩面，擬合選定拱壩圓心，砌石拱壩選用等外半徑單曲拱壩，根據(jù)壩頂、壩底厚度，結(jié)合壩體應(yīng)力，確定拱壩設(shè)計(jì)尺寸，見表1：

3 壩體應(yīng)力分析

3.1 計(jì)算方法

壩體應(yīng)力分析采用《拱壩應(yīng)力計(jì)算程序》，按拱冠梁法計(jì)算。沿高程 750.2 m，746 m，741 m，736 m，731 m，726 m，721 m，718.6 m共切取8個(gè)水平拱圈和拱冠處的梁，根據(jù)交點(diǎn)處徑向變位一致與扭轉(zhuǎn)變位一致求得拱、梁荷載分配和應(yīng)力。

3.2 基本數(shù)據(jù)

壩頂高程750.2 m，正常蓄水位745.00 m，設(shè)計(jì)洪水位748.18 m，校核洪水位749.81 m，淤沙高程737.5 m，淤砂浮容重取 8.6 kN/m3，內(nèi)摩擦角 11°，建基面高程718.6 m，壩頂厚度4.5 m，最大壩高31.6 m。壩體采用M7.5漿砌塊石砌筑，容重23 kN/m3，壩體彈性模量 7.5×103MPa，壩基彈性模量 1.0×104MPa，壩體線膨脹系數(shù)7×10-6/℃，年平均氣溫11.7℃，極端最高氣溫38.5℃，極端最低氣溫-17.2℃。

3.3 計(jì)算工況

靜力分析計(jì)算采用以下四種荷載組合：

基本荷載組合：正常水位水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋溫升；正常水位水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋溫降；設(shè)計(jì)水位水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋溫升。

特殊荷載組合：校核水位水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋溫升。

3.4 計(jì)算成果

經(jīng)計(jì)算可知，拱壩最大壓應(yīng)力一般產(chǎn)生在拱冠梁高程726 m處拱圈下游面，最大值為工況2的7.29 kg/cm2，最大拉應(yīng)力一般產(chǎn)生在拱冠梁高程726 m處拱圈上游面，最大值為工況2的0.85 kg/cm2。各部位的應(yīng)力分布與狀態(tài)都較均勻，滿足規(guī)范要求，說明該拱壩應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

4 壩肩穩(wěn)定分析

壩肩巖體的穩(wěn)定分析是拱壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)實(shí)際情況，根據(jù)拱冠梁法計(jì)算的內(nèi)力成果，對(duì)兩岸拱端進(jìn)行穩(wěn)定分析，采用剛體極限平衡法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析。

根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，按抗剪公式進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析：

式中：k——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

N——垂直于滑裂面的作用力，N；

f2——抗剪摩擦系數(shù)，取f2=0.6；

T——沿滑裂面的作用力，N。

對(duì)各種荷載組合下每一高程的左右拱端分別按四種工況計(jì)算安全系數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為11.82，各結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，說明整個(gè)壩是穩(wěn)定的。

5 重力副壩設(shè)計(jì)

由于壩址所在河谷不對(duì)稱，需在其較緩的左側(cè)山坡738.0 m高程至設(shè)計(jì)壩頂高程設(shè)置砌石重力式副壩擋水。

5.1 重力墩設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，最危險(xiǎn)的為工況4，相應(yīng)各層拱端內(nèi)力見表2。

表2 重力墩計(jì)算表

參照拱壩斷面，擬定重力墩橫斷面為：壩頂寬6.5 m，上下游均比拱壩斷面高1.0 m，上游壩面垂直下游面坡度1:0.7。對(duì)各層拱圈進(jìn)行計(jì)算，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取1.3，摩擦系數(shù)取0.6，計(jì)算得出重力墩沿拱端切線方向長度最小為27.0 m，由此確定重力墩長為27 m。

5.2 副壩設(shè)計(jì)

副壩壩軸線長84.4 m，其中樁號(hào)0+000～0-027為重力墩段；樁號(hào)0-027～0-032.2為圓弧轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑 5 m，轉(zhuǎn)角 60°；樁號(hào) 0-032.2～0-084.4為重力副壩段，壩頂高程750.20 m，壩頂寬4.5 m，上游壩面垂直，下游面坡度1∶0.7，用M7.5水泥砂漿砌塊石砌筑。

按抗剪公式對(duì)重力副壩進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析，各工況副壩斷面最大抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.32，1.76，1.23，滿足規(guī)范規(guī)定，副壩滿足穩(wěn)定要求。