漿砌石拱壩的優(yōu)化設計之淺探

摘要：漿砌石拱壩由于在材料、施工、設計等方面的優(yōu)越性，近年來在我國發(fā)展迅猛，在各地中小水利工程中應用廣泛。因此，漿砌石拱壩的優(yōu)化設計成為現階段具有實際意義和理論價值的重要問題。本文分析了漿砌石拱壩的特點，進而從平面布置、應力分析和拱壩體型三個方面對漿砌石拱壩的優(yōu)化設計做出了解答。

關鍵詞：漿砌石拱壩，優(yōu)化設計

1砌石拱壩的概念及特點

砌石壩又名烤工壩，它是由一定規(guī)格的石料經漿砌或干砌而成的一種擋水建筑物。在平面上呈拱型，起到拱的傳力作用的砌石壩，即為砌石拱壩；漿砌的砌石拱壩，即為漿砌石拱壩。 從20世紀70年代起，我國拱壩建設邁入了全新的發(fā)展階段，中小型砌石拱壩得到了迅速發(fā)展，截至80年代末，世界范圍內共興建高度15m以上的拱壩達1592座，其中我國753座，占總數47.3 %；截至2000年年底，我國壩高15m以上的砌石壩共有2683座，其中砌石拱壩為1538座，占總數的57.3%。這些砌石拱壩工程在當地的國民經濟發(fā)展中發(fā)揮了巨大的作用。

拱壩是壩體向上游凸出，在平面上呈拱形，拱端支承于兩岸上的混凝土或漿砌石的整體結構。作用于砌石拱壩上的荷載，大部分都由其壩體拱的作用傳遞到兩岸壩肩巖體上，小部分則通過豎向懸臂梁的作用傳至壩基。拱壩的自身調節(jié)能力非常強，即使在局部受力過大時，也能自行調整，只要壩肩穩(wěn)定可靠，就不致影響其整體的安全性。拱壩的穩(wěn)定性不像重力壩那樣主要依靠自重來維持，而是主要依靠兩岸壩肩巖體的反作用力來維持。一般來說，拱的作用越強，壩體的厚度就越能減小，壩體體積也就越小。大壩采用現代技術理論進行設計和施工的歷史約近150年，在這段時期內，實踐證明拱壩是各種擋水壩中最為安全的一種砌石拱壩除了它的安全性、經濟性外，還存在著因地制宜、就地取材、施工簡易，初期工程量小、便于改善勞動條件，便于導流和度汛等諸多特點。

2 大壩結構設計

2.1結構布置

大壩壩型為C15混凝土砌毛石拱壩，拱冠梁上游面曲線采用二次拋物線，平面拱圈形式為等厚的圓弧線。壩基面高程342.0m，最大壩高49.6m，正常水位時河谷寬高比3.9m，壩頂軸線總長149.672m，經優(yōu)化設計，在左岸樁號壩0+140.215處，壩軸線轉折直線布置，以控制壩頂左半中心角。由應力穩(wěn)定條件控制擬定壩體斷面：拱壩壩頂寬4m，壩底寬9m，最大壩高49.6m，厚高比為0.18，拱冠梁最大倒懸度控制在0.2以內，屬薄拱壩。最大外半徑76.68m，最大內半徑71.68m，最大中心角101.9610。兩岸非溢流壩380m高程以上壩頂寬4m，底寬6.68，上游坡度m1=0，下游坡度m2=0.231。

壩體內部采用C15砼砌毛石，迎水面依次為一級配砼砌C15砼預制塊厚300，C20砼防滲心墻平均厚度1.35m，下游面用一級配砼砌C15砼預制塊厚300。壩體底部設C15砼墊層，設計厚度為1.0m。防滲心墻厚度從頂到底部為0.3m～1.272m，底部厚度為最大水頭的1/38。防滲砼抗?jié)B等級為W6，抗凍等級為F50。

2.2拱壩應力分析

該拱壩應力采用水利水電科學研究院結構所編制的拱壩多拱梁混合法應力分析程序——《拱壩體形優(yōu)化程序ADASO》軟件計算。該程序采用多拱多梁徑向、切向、水平扭轉、垂直扭轉四向全面調整進行拱壩應力計算。

1）應力計算參數

a壩體C15混凝土砌60MPa毛石：容重2.3t/m3，彈性模量為9Gpa；線膨脹系數為7×10-6；泊松比為0.22。b壩基按石炭系大塘組地層巖性較差巖石的參數：容重2.75t/m3，彈性模量為12GPa；線膨脹系數為6.8×10-6；泊松比為0.27。c溫度荷載計算按砌石壩設計規(guī)范的有關公式計算。砌石體導溫系數為3m2/月；氣溫年變幅為10.950C；日照影響為20C；穩(wěn)定計算初始相位為6.5月；封拱溫度為150C。

2）ADASO程序計算成果

根據ADASO程序計算成果分析，基本組合時，最大主壓應力為246.16×104Pa，小于壩身控制壓應力331×104Pa；中央懸臂梁底的最小主拉應力為-75.88×104Pa，小于中央懸臂梁底的控制拉應力-110×104Pa；其他部位的最小主拉應力為-37.08×104Pa，小于壩體其他部位的控制拉應力-100×104Pa，均滿足壩體應力控制要求。拱端最大壓應力為213.28×104Pa，小于壩基容許承載力300×104Pa。

特殊組合時，最大主壓應力為263.45×104Pa，小于壩身控制壓應力386×104Pa；中央懸臂梁底的最小主拉應力為-89.02×104Pa，小于中央懸臂梁底的控制拉應力-110×104Pa；其他部位的最小主拉應力為-44.90×104Pa，小于壩體其他部位的控制拉應力-100×104Pa，均滿足壩體應力控制要求。拱端最大壓應力為230.77×104Pa，小于壩基容許承載力300×104Pa。

從而，拱壩應力計算指標均滿足規(guī)范要求，擬定的拱壩剖面合理。

2.3拱壩壩肩穩(wěn)定分析

該工程拱壩中心線方位角為269.932°，拱肩的最大半中心角52.817°。左壩肩以陡傾結構面N60°W/SW∠70～85°為側向滑裂面，以緩傾結構面N85°E/SE∠20～30°傾下游為底滑面，以SN/E∠70～85°節(jié)理面為上游拉脫面；右壩肩以陡傾結構面N75°E/NW∠65～85°為側向滑裂面，以巖層層面N40°W/∠20～30°傾上游偏左岸為底滑面，考慮了底滑巖層傾向河床的不利情況，其傾角為20～250，以SN/E∠70～85°面為上游拉脫面?？够瑤r體均扣除了表層強風化（平均扣除厚0.5m）及松散崩塌體，以原生基巖作為抗滑體。

本次計算系按平面分層進行，計算中左、右岸抗滑巖體分別采用綜合參數，其中陡傾結構面裂隙連通率為40%。大壩基本組合工況的分層穩(wěn)定最小安全系數為4.08；特殊組合工況的分層穩(wěn)定最小安全系數為3.91，均滿足要求。

2.4堰頂以上非溢流壩應力及穩(wěn)定分析

本工程大壩堰頂開口較大，寬達80m，考慮兩岸非溢流壩段拱效應較小，且左岸壩軸線轉折后樁號壩0+140.215～壩0+149.672段為直線型重力壩體，故左、右岸380m高程以上非溢流壩段按重力壩原理進行復核計算，壩頂寬4m，上游坡度m1=0，下游坡度m2=0.231。壩體上游設有C20混凝土防滲心墻。

2.5基礎及防滲處理

大壩建基面開挖至弱風化巖體中上部的基巖，遇裂隙密集帶或卸荷裂隙適當嵌深。壩基平均開挖深度為12m，兩岸壩肩平均開挖深度為9m。壩基范圍內未發(fā)現有大型巖溶洞穴，對一些巖溶裂隙、泥化夾層等，結合清基開挖，沖洗后回填砼及加強固結灌漿處理。

整過壩基進行了固結灌漿處理，重點選在河床壩基的節(jié)理密集帶。固結灌漿孔深入基巖5m，呈梅花型布置，孔排距均為3m。在壩肩坡度大于500的陡壁面及上游壩基接觸面進行接觸灌漿，接觸灌漿孔結合固結灌漿孔布置。

壩址為補給型河谷類型，壩基及兩岸巖體在一定的深度下屬溶孔、溶隙型弱含水、弱透水巖體，壩基及兩壩肩灰?guī)r在一定深度范圍內，仍存在滲漏問題，必須進行帷幕灌漿處理。根據大壩壩高，結合地質情況，防滲帷幕以呂榮值q≤3Lu控制下限。壩基的帷幕灌漿下限為壩基以下25m；兩壩肩防滲長度自兩壩肩向山體內各延伸30m。

3 結束語

綜上所述，砌石拱壩是一種工作條件好，超載能力極強的壩體結構形式，其抗震性能好、具有可靠的抵御意外洪水及涌浪翻壩的能力，而且垮壩事故率低、耐久性能好，其綜合安全性和經濟性都非常的優(yōu)越。