江口水電站橢圓型雙曲拱壩設計特點

李潤偉,陳立秋

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林長春130021)

1 工程概況

江口水電站是一座以發電為主的綜合利用工程,位于重慶市武隆縣江口鎮芙蓉江河口以上約2 km處。水庫正常蓄水位為300.00m,總庫容為5.05×108m3,總裝機300 MW。工程規模為大(2)型,大壩及泄洪建筑物為2級建筑物。

江口水電站工程主要由雙曲拱壩、壩身泄水中孔、表孔、壩后水墊塘、發電引水隧洞、地下廠房及GIS開關站等組成。大壩為橢圓型雙曲拱壩,最大壩高140.00 m,壩基及兩岸采用灌漿帷幕防滲。泄洪建筑物采用5個表孔和4個中孔聯合泄洪。壩后為水墊塘消能,水墊塘長165.00 m,底寬80.00 m,底板頂高程173.00 m,水墊塘末端設二道壩,頂高程為182.50 m。引水發電系統位于大壩左岸,采用單機單洞的布置方式,發電廠房為地下廠房,裝機3臺,單機容量100MW。

在技施設計階段,對拱壩體形等問題進行了一系列的優化設計,最后選定橢圓體型,不僅節省了工程投資,同時也為加快工程進度創造了良好的條件。該工程2000年4月開始大壩基礎開挖,2002年12月下閘蓄水,2005年1月通過竣工驗收。目前大壩已安全運行6年多,壩體運行正常。

2 拱壩布置

大壩為混凝土雙曲拱壩,最大壩高140.00m,壩頂高程305.00 m,壩頂中心線弧長為380.71 m,拱冠梁剖面壩頂寬度6.00 m,壩底寬度26.94 m,壩體弧高比2.82,厚高比0.192。壩體共布置20條橫縫,共21個壩段,每個泄洪壩段長21.00 m,每個擋水壩段長18.00 m,橫縫為鉛直縫,橫縫面上設置梯形鉛直鍵槽,壩體不設施工縱縫,采用通倉澆筑。結合壩體應力計算成果、壩基的地質地形條件及結構要求,將壩體混凝土分為2個區,大壩250.00 m高程以下的壩基高應力區部位采用C30混凝土,其余部位采用C25混凝土。在壩體內部設置4層縱向水平廊道,沿兩岸壩基設置基礎廊道,在15#壩段壩體下游側布置電梯井,壩后設置兩層交通橋。在壩體上游側設置排水管,滲水經各層縱向廊道排入左岸排水平洞內的集水井。橫縫上游側設一道銅止水片及一道塑料止水片(兼作止漿片),壩體橫縫下游設一道塑料止水片(兼作止漿片)。大壩平面布置見圖1。

圖1 大壩平面布置圖

3 設計特點

3.1 拱壩體形優化

江口拱壩最大壩高140.00 m,頂拱中心角74.93°,最大中心角92.79°,拱壩厚高比為0.192,為薄拱壩,大壩水平拱圈為橢圓線型,是目前國內最高的橢圓型雙曲拱壩。大壩原設計報告中,拱壩采用拋物線體形,基本體形拱壩混凝土方量79.87×104m3。在技施設計階段,分別對拋物線、橢圓、統一二次曲線等三種線型的拱壩體形進行優化。在應力水平基本相當的情況下,三種線型拱壩優化方案的壩體體積分別為:拋物線拱壩61.00×104m3,橢圓拱壩57.30×104m3,統一二次曲線拱壩53.40×104m3。從壩體體積看,拋物線拱壩體積最大,統一二次曲線拱壩體積最小,橢圓拱壩較拋物線拱壩節省6.1%,統一二次曲線型拱壩較橢圓型拱壩節省6.8%。從水平拱圈的形式看,前兩種線型的拱壩壩體均為單一的線型,即拋物線或橢圓,而統一二次曲線拱壩為橢圓或雙曲線的混合線型,體形參數較為復雜。經過經濟技術比較,選定橢圓曲線作為江口拱壩的最終拱形,大壩混凝土方量比原設計減少28%(原設計的拋物線拱壩與優化設計的拋物線拱壩采用的不是一個計算程序,也不是同一個體形),土石方開挖量比原設計減少約40.00×104m3,減少了38%,同時,因工程量的節省縮短工期約半年,取得了顯著的經濟效益。詳見參考文獻[1]。

拱壩體形設計比較復雜,且采用的橢圓比拋物線設計變量多8個,人工設計難以求得最優方案,目前,多數拱壩計算程序難以達到優化目的,設計人員在可靠的拱壩優化理論指導下,采用了中國水利水電科學研究院開發的“拱壩體形優化程序(ADASO)”進行優化設計,取得了顯著的效果。在國內已建的拱壩中,江口拱壩是采用“拱壩體形優化程序”,由計算機選定的最高的拱壩,拱壩體形優化過程僅需要一個星期,為短時間內完成拱壩體形優化探索出一條新路,促進了水電建設中設計工作的變革和革新。ADASO程序以壩體的體積作為目標函數,同時將幾何約束及應力約束等作為約束函數,對拱壩體形進行優化,尋求理想的壩體體形。拱壩體形優化設計的幾何約束條件主要有:壩頂厚度、壩體上下游面倒懸度、拱圈半中心角、拱圈中心角、應力約束等條件。由于拱壩的地質條件是影響壩肩抗滑穩定的重要因素,而地質條件又難以準確地反映在程序中,因此,需要根據優化選定的拱壩體形,進行壩肩抗滑穩定復核驗算。拱壩懸臂梁剖面見圖2,拱圈平切剖面見圖3。

由于江口拱壩體形在平面上為橢圓形,在鉛直方向為三次曲線,拱壩水平拱圈為變厚拱,使壩體成為一個異常復雜的的空間殼體,這給拱壩的結構布置帶來很大困難,增加了設計難度。設計人員經過了大量的探索,自行編制了壩體坐標計算程序,采用計算機CAD輔助設計,成功地解決了這一難題,提高了設計工作效率,為短時間內完成拱壩設計奠定了基礎。

圖2 拱壩懸臂梁剖面示意圖

圖3 拱圈平切剖面示意圖

為了進一步印證拱壩的應力狀況,又采用了拱梁分載法程序SDTL及三維有限元程序ADAP進行了壩體應力分析。經分析,上述三種軟件計算成果的變化規律較為接近,分載法程序計算的壩體最大主拉、主壓應力均滿足規范要求。有限元法計算的壩體壓應力均滿足分載法應力控制標準的要求,壩體個別點的拉應力超過了分載法的應力控制標準,但最多僅有兩點。壩體的最大拉應力控制點基本在角緣附近,主要是由于有限元計算的角緣應力集中影響,因此,優化選定的拱壩體形是可信的。

設計人員不拘于國內已建高拱壩多采用拋物線及多心圓體形,開拓性地選用橢圓體形,設計達到國內較高水平,根據江口橢圓拱壩的成功經驗,我國近十幾年來橢圓拱壩逐漸地發展起來了,相繼又建成了藤子溝、龍江、落腳河、老江底、黃花寨等一系列的橢圓混凝土拱壩。重慶江口橢圓拱壩的成功建成,對豐富我國拱壩線型、推動我國橢圓拱壩的發展、節約投資都具有重要的意義。國內已建橢圓拱壩見表1。

表1 國內已建橢圓拱壩統計表

3.2 壩肩抗滑穩定分析

江口拱壩基礎的地質條件復雜,分布有斷層、裂隙及軟弱夾層,根據這些構造的產狀分析,存在構成多種不利滑動楔體的可能性。另外,軟弱夾層對壩肩的變形穩定也有一定的影響。因此,如何處理好壩肩的抗滑穩定及變形穩定成為拱壩設計的重中之重。經分析,可能的滑動塊體的底滑面主要為斷層及夾層,側滑面主要為裂隙面,滑動模式主要分為有尾塊及無尾塊兩種。設計采用剛體極限平衡法,對壩肩可能的滑動塊體進行三維抗滑穩定分析,同時對壩基的主要軟弱夾層進行了變形分析。根據分析成果以及設計人員豐富的設計經驗,對基礎處理進行了優化設計,對影響壩肩穩定的夾層進行了混凝土網格置換處理,成功地解決了壩肩穩定問題。置換混凝土的工程量為1.05×104m3,比原初步設計節約了1.65×104m3,取得了顯著的經濟效益。壩基夾層混凝土網格置換典型處理見圖4。

3.3 基礎處理

江口壩址為巖溶地區,地層主要為寒武系上統毛田組∈3m和奧陶系下統南津關組(O11n～O51n),巖性以灰巖和白云巖為主,夾白云質頁巖和含灰質串珠體頁巖。壩址區斷層不發育,數量不多,規模不大。∈3m～O1n層中揭露有軟弱夾層,數量較多,最大厚度為1.4 m。壩基范圍內有大小不同的溶洞分布,溶洞面積一般為2 m2～10 m2。

圖4 右岸515～513#夾層混凝土網格置換處理示意圖

對于壩基出露的斷層、及規模較小的夾層采用淺挖,回填混凝土堵塞處理。結合壩肩抗滑穩定、變形穩定分析,對于規模相對較大的 508#、518#、513#、404#、517#五條夾層進行混凝土置換處理。置換洞根據夾層情況,在鉛直方向布置兩層或三層,層與層之間設斜井連接,形成空間網格。置換洞洞徑為3.00 m～3.50 m,馬蹄形斷面,回填混凝土強度等級為C20,并摻入氧化鎂,摻量為水泥用量的5%～9%,并對洞頂進行回填灌漿。溶洞一般分布在壩基以下7 m～8 m范圍,處理方法為先將溶洞內破碎的巖石及夾泥挖除,然后采用膨脹混凝土回填,膨脹劑采用氧化鎂,摻量為水泥用量的5%,對于洞內無法回填混凝土的個別部位埋設灌漿管,進行回填灌漿,回填灌漿壓力為0.5 MPa。壩基中最大的溶洞為K8溶洞,主要分布在4#～6#壩段基礎面以下32 m,溶洞頂部高程168 m,底部高程132 m。沿帷幕線方向長度26 m～28 m,洞內主要充填物為泥、砂、礫石和其它碎屑物質,砂層最大厚度約20 m,頂部有較大的空腔。根據現場的實際情況,對K8溶洞主要采取高壓灌漿(水泥沙漿及水泥漿)處理,主帷幕灌漿壓力為2MPa,加強帷幕灌漿壓力為5 MPa,加強帷幕深度與主帷幕相同,處理該部位水泥用量達1.10×104t。K8溶洞范圍大,施工難度高,為水電工程所罕見。溶洞處理加固了地基,并且防滲效果很好。詳見參考文獻[2]。

壩基及兩岸山體防滲主要為防滲帷幕,防滲帷幕標準為基巖透水率≤1～3Lu。在270 m高程以下采用雙排帷幕,在270 m以上采用單排帷幕,帷幕后設有排水孔。帷幕灌漿排距為0.8 m,基本孔距為2.0m,共分三序孔。在左、右岸305m及232 m高程分別布置兩層灌漿平洞,在左岸170 m高程布置一層排水平洞。因地下廠房位于相對隔水層的頁巖區下游,因此,技施設計中,取消了廠房前的防滲帷幕。壩基及地下廠房灌漿帷幕優化設計共節省工程量約3×104m3。據觀測資料,地下廠房滲漏量僅為0.66 L/s,這說明廠房上游的頁巖層實際起到了相對隔水層的作用,優化設計取消地下廠房帷幕是正確的。

3.4 泄洪消能系統

泄洪建筑物采用5個表孔和4個中孔聯合泄洪,表孔為開敞式,堰頂高程285.5 m,孔口尺寸為12 m×14.5 m(寬×高),中孔為有壓流,底板高程232 m,出口尺寸為6 m×7m(寬×高)。壩后為水墊塘消能,水墊塘長165 m,底寬80 m。底板頂高程173 m,底板厚度3 m。邊墻頂高程為220 m,墻高47 m。水墊塘末端設二道壩,頂高程為182.5 m,頂寬3 m。

江口壩址河谷狹窄、水頭高、洪水流量較大,校核洪水泄量14 580 m3/s,經水工模型試驗,壩體采用5個表孔和4個中孔聯合泄洪。表孔出口采用擴散式跌流消能,中孔出口采用收縮式挑流,窄縫消能。下泄水流橫向擴散,縱向拉開,避免了能量集中,減小了水墊塘底板的脈動壓力,成功地解決了大泄量的泄洪、消能問題。

原初步設計中,泄洪中孔的洞身段采用鋼襯,進口設平板檢修門,出口設弧形工作門擋水。技施設計中,設計對中孔的運用和結構進行了優化設計。不泄水時,由施工期臨時擋水門灌注混凝土形成的上游平板門擋水;泄水時,先落下弧形工作門,洞內充水,然后再開啟弧門泄水。這樣,中孔不泄水時,洞身段內無水,因此,取消了鋼襯。目前,泄洪消能系統經過三個汛期泄洪的考驗,運行情況良好。

3.5 混凝土原材料

江口工程混凝土施工具有施工強度高、溫控要求嚴等特點。施工單位通過采用中熱水泥、摻用粉煤灰、減水劑、引氣劑、等綜合措施,優選出大壩混凝土配合比,不但各項指標滿足設計要求,而且具有單位用水量小、水泥用量少、耐久性好等特點。大壩混凝土采用的水泥主要是重慶地維水泥廠及葛洲壩水泥廠的中熱硅酸鹽水泥,粉煤灰為重慶珞璜電廠的二級粉煤灰,其品質除細度稍大外,其余指標均滿足一級粉煤灰的技術要求,外加劑主要為浙江龍游外加劑廠的ZB-1緩凝高效減水劑、貴陽高峽科技公司NF-550緩凝減水劑及河北混凝土外加劑廠DH9引氣劑,骨料為人工砂石料,主要成分是灰巖和白云質灰巖。大壩混凝土主要配合比見表 2。經試驗可知,粉煤灰摻量在30%～40%為宜。在摻入減水劑和粉煤灰情況下,混凝土的用水量減少約27%,對簡化溫控措施、防止混凝土的溫度裂縫具有重要作用。混凝土中摻入引氣劑,嚴格控制水灰比,使混凝土的含氣量控制在2.5±0.5%范圍,提高混凝土的抗滲、抗凍等耐久性。與國內類似工程相比,江口大壩混凝土配合比的水泥用量相對較低,減小了水化熱,這對混凝土的溫控起到了積極的作用。詳見參考文獻[3]。

經檢測,C25、C30大壩混凝土90天齡期的抗壓強度分別為32.8 MPa、37.6 MPa,其強度保證率分別為98.9%、97.8%,Cv值分別為 0.11、0.10,這表明大壩混凝土強度優良,均勻性好,大壩混凝土其它各項指標均滿足設計要求。壩體混凝土澆筑完成至今,發現的裂縫很少。實踐證明,江口大壩混凝土配合比設計是成功的。

3.6 大壩混凝土溫控

混凝土壩存在溫度裂縫是一個普遍的問題,裂縫對大壩的整體性、耐久性、防滲性有較大的影響,采用合理的溫控措施,防止大壩出現溫度裂縫是混凝土壩設計的一項重要內容。江口壩址地處中亞熱帶季風氣候區,多年平均溫度17.3℃,大壩為薄拱壩,大壩混凝土溫控尤為重要。設計采用有限元程序SimuDam進行了溫度場及應力場的仿真計算,共計算了10種溫控方案,為大壩混凝土的溫控提供了理論依據。江口拱壩的混凝土溫控設計為混凝土壩建設積累了很多經驗,大壩混凝土溫控措施主要有:澆筑層厚度基礎約束區為1.5 m,非約束區3 m;間歇時間一般為5～7天;采用制冷工藝,控制澆筑溫度,預冷方式主要采用骨料堆料場降溫、冷水拌和、加冰片、風冷粗骨料、水冷粗骨料等單項或多項綜合措施;控制內外溫差,加強表面保護,在壩體內埋設冷卻水管,表面灑水養護,高溫季節噴霧降溫,冬季采用高壓聚苯乙烯泡沫塑料保溫;混凝土采用中熱水泥、摻用粉煤灰、降低水泥用量等措施降低水化熱。江口壩體混凝土澆筑溫度及允許最高溫度見表3、表4。詳見參考文獻[4]。

表3 各月壩體混凝土澆筑溫度表 單位:℃

江口壩體混凝土澆筑完成至今,主要發現四條裂縫。在11#壩段168.50 m高程有一條表面裂縫,是由于混凝土齡期未到,基礎固結灌漿引起的抬動縫;在10#壩段232.00 m高程下游閘墩出現兩條表面裂縫;在3#壩段294.50 m高程有一上下游慣通的水平裂縫,主要是由于施工中突然停電,再次施工時處理不當形成的施工冷縫。裂縫部位經處理后,沒有發現擴展情況。江口拱壩壩身出現的溫度裂縫之少,在高薄拱壩建設中是極為罕見的。實踐證明,江口拱壩混凝土溫控設計是成功的。

表4 壩體設計允許最高溫度表 單位:℃

4 原型觀測資料對比分析

截止2003年末,大壩經歷了2003年9月末的上游水位EL298m+溫升和2003年12月末的上游水位EL299.7m+溫降兩種工況下的運行,均接近正常蓄水位300 m,大壩的觀測數據可以作為驗證設計的成果。

根據外部變形觀測資料分析,大壩整體水平位移符合變化規律,在正常蓄水位溫降情況,拱冠梁處大壩水平位移為34.45 mm,比設計值61.50 mm小44%,其主要原因可能是由于壩體混凝土的實際彈模比設計值大所致(機口試件90天齡期彈模平均值為46.30 GPa,拱壩應力計算時,壩體混凝土彈模取值為20 GPa)。水庫下閘蓄水一年以后,上游220 m高程以下壩面溫度穩定在11℃左右,壩體溫度變幅均接近設計值。壩體橫縫在混凝土澆筑前期和壩體高溫期為閉合,隨著壩體通入冷卻水,橫縫逐漸張開,一般為1 mm～2 mm,最大為5.7 mm。下閘蓄水后,大壩橫縫開合度變化均小于1 mm,從整體看,大壩橫縫基本處于均勻壓縮狀態。根據壩基揚壓力觀測資料,壩基揚壓力一般遠小于帷幕灌漿前壓力,揚壓力折減系數一般均小于0.3,多數小于0.1,說明大壩防滲排水設施的效果較好。目前,兩岸滲流形態已基本穩定,未見繞壩滲漏,壩基滲漏總量僅為2.85 L/s,說明壩基防滲效果很好。壩體245 m高程以上廊道內排水孔為干燥的,245 m高程以下廊道內的個別排水孔有濕潤現象,說明壩體混凝土防滲效果較好。

經原型觀測資料對比分析,大壩滿足設計要求。江口拱壩已運行六年多的時間,且經過了六個汛期洪水的考驗。目前,大壩運行狀態是安全的、正常的。

5 結 語

(1)江口拱壩是目前國內最高的橢圓型雙曲拱壩,設計過程形成了一套完整的橢圓型雙曲拱壩設計技術系統,對推動我國橢圓拱壩的發展具有十分重要的意義。

(2)江口拱壩設計中,成功地解決了大壩工程中一系列工程問題,如合理地確定壩肩穩定處理方案、壩基溶洞處理方案、大泄量的泄洪消能布置、混凝土溫控措施及優化壩體混凝土配合比等,為拱壩的順利建設奠定了堅實的基礎。

(3)經6年的原型觀測資料分析表明,江口拱壩運行正常,壩體安全。

(4)橢圓型雙曲拱壩具有節省混凝土、縮短工期、受力特性好的優點,配合本文采用的技術設計系統和優化設計方法,可以保證大壩安全,該壩型值得廣泛推廣。

[1] 陳玉夫,云憲義,李潤偉.江口水電站橢圓型雙曲拱壩體形優化設計[J/OL].混凝土壩技術,2003.成都勘測設計研究院.混凝土壩技術信息網刊.http//chidi.com.cn.

[2] 董京旭.溶洞地區的拱壩壩基處理[J/OL].混凝土壩技術,2003.成都勘測設計研究院.混凝土壩技術信息網刊.http//chidi.com.cn.

[3] 薛文斌,莫中平.江口工程大壩混凝土的配合比設計試驗研究[J/OL].混凝土壩技術,2003.成都勘測設計研究院.混凝土壩技術信息網刊.http//chidi.com.cn.

[4] 蘇 石,楊明剛,趙 丹.江口混凝土拱壩的溫度控制設計[J/OL].混凝土壩技術,2003.成都勘測設計研究院.混凝土壩技術信息網刊.http//chidi.com.cn.