基于水庫攔蓄壩拱壩設計

楊正猛，廖聲海

(貴州省黔東南州水利電力勘察設計院，貴州凱里556000)

基于水庫攔蓄壩拱壩設計

楊正猛，廖聲海

(貴州省黔東南州水利電力勘察設計院，貴州凱里556000)

水庫作為重要的水利工程樞紐，承載著人民日常生活及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的艱巨任務。水庫不僅為防汛抗洪調度、確保一方平安做出了巨大貢獻，而且兼顧著灌溉、發(fā)電、人蓄飲水的重任，稍有不慎則會給國家及人民帶來難以預料的災難，所以保障水庫攔蓄壩的安全尤為重要。在水庫的設計階段，確保水庫攔蓄壩穩(wěn)定安全運行，特別是拱壩設計中對水庫安全正常運行至關重要。

水庫;攔蓄壩;拱壩設計;優(yōu)化布置;穩(wěn)定要求;應力計算

0 前言

水庫攔蓄壩拱壩是一種應力復雜、受地形地質條件制約較大的一種壩體結構，對拱壩進行合理布置優(yōu)化設計，是拱壩設計的關鍵和重要內(nèi)容。本文介紹了某水庫工程在施工設計階段拱壩優(yōu)化設計布置措施，從而更好地加強了水庫大壩的安全。

1 工程概況

某水庫工程位于貴州省東南部，工程以城鎮(zhèn)防洪、農(nóng)田灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等一體的水利工程。水庫總庫容2 481萬m3，屬中型水庫，工程屬Ⅲ等工程，主要建筑物(大壩)屬Ⅲ等3級建筑物，設計洪水標準為50 a一遇，校核洪水標準為500 a一遇。壩型為三級配 C20混凝土雙曲拱壩，設計高程716.20 m，壩高64.2 m，壩頂厚3.6 m，壩底厚15 m，厚高比0.23，壩頂弧長177.01 m，最大中心角96.7°。

2 拱壩優(yōu)化設計

拱壩優(yōu)化布置以滿足拱冠梁剖面倒懸度≤0.3，拱端內(nèi)弧切線與利用巖石等高線夾角≥30°，有利于壩體泄洪和壩肩穩(wěn)定，壩體材料強度得到充分發(fā)揮并平順變化，同時工程量省的原則和要求進行布置。結合壩身泄洪建筑物的布置，拱壩中心線與河道盡量順直，以使下泄水流平順，歸槽條件好，減少對下游岸坡的沖刷。在壩體斷面能夠滿足穩(wěn)定和應力要求的前提下，同時滿足拱壩細部結構布置和運行要求，使得整個壩體的混凝土量最小，這是壩體斷面優(yōu)化的目標［1］。

根據(jù)壩址地質資料，工程所在河流壩址河谷寬高比2.15，為近似對稱的“V”型河谷。基巖為弱硅化絹云母板巖，巖層產(chǎn)狀為:左壩肩巖層產(chǎn)狀314°～320°∠41°～43°;右壩肩巖層產(chǎn)狀309°～320°∠39°～53°。右壩肩弱風化巖體埋深較深，如果建基面要置于弱風化層中下部，壩肩基坑上游邊坡處理工作量較大，邊坡開挖方量大，所以右壩肩考慮按大壩滿足應力和穩(wěn)定要求進行布置;左壩肩700 m高程以下壩基，以弱風化下部、微風化或新鮮基巖作持力層;700 m高程以上壩基，為控制兩壩肩開挖量，同時考慮壩基嵌深較深，以弱風化中部和上部作持力層。以此為各高程設計建基面，可確定壩底高程652.00 m，溢流堰頂高程710.00 m(正常水位)。壩址河谷地形近“V”型，但地質條件不對稱，右岸風化線相對平緩，弱風化巖體埋深較深，特別在700 m高程以上，設計時采用雙圓心雙曲拱壩進行比較，使其適應不對稱地形，但通過采用雙圓心雙曲拱壩壩型布置，壩體兩岸倒懸度很難滿足要求，施工期壩址出現(xiàn)0.63 MPa拉應力。為此，設計上為避免對右壩肩采取明挖至弱風化層將對邊坡穩(wěn)定很不利的情況，采用對右壩肩壩基面設C20鋼筋混凝土找平墊層提高建基面的平體性，選擇變圓心雙曲拱壩布置。

大壩為C20混凝土雙曲拱壩，主體材料為三級配C20混凝土。壩對稱軸線方位為48.088°，壩頂高程716.20 m，最大壩高64.2 m，壩頂厚3.6 m，壩底厚15 m，厚高比0.233，最大中心角 96.7°，分溢流壩段和非溢流壩段。溢流泄洪表孔，布置于大壩壩頂中部，共3孔，每孔凈寬9.3 m。

量各層拱圈弦長，經(jīng)計算壩頂厚度3.74 m，壩底厚度13.2～16.78 m。優(yōu)化后按滿足應力及穩(wěn)定要求，取壩頂厚度3.6 m，壩底厚度15.0 m。拱冠梁剖面設計參數(shù)見表1，拱壩體型參數(shù)見表2，大壩平面布置見圖1，拱冠梁剖面見圖2。

表1 拱冠梁剖面設計參數(shù)表

表2 拱壩體型參數(shù)表

圖1 大壩平面布置圖

圖2 拱冠梁剖面圖

3 壩體應力

3.1 壩體材料

壩體材料主要為三級配C20混凝土，各種特性參數(shù)見表3。

表3 壩體材料特性參數(shù)表

3.2 特征水位及淤積

特征水位及淤積見表4。泥沙壓力為泥沙按50 a淤積高程計算，淤沙高程為668 m;浮容重為0.75 kN/m3;內(nèi)摩擦角為18°。

表4 特性水位表

3.3 地基物理力學參數(shù)

表4 大壩不同工況下上下游面最大主應力表

地基變模2 ～6 Gpa、泊松比 μ =0.23 ～0.35、

3.4 計算工況

計算工況荷載組合見表5。

表5 工況荷載組合表

表3中作用荷載:①壩體自重;②靜水壓力;③溫度荷載(溫升或溫降);④揚壓力;⑤泥沙壓力;⑥浪壓力;⑦冰壓力;⑧動水壓力;⑨地震荷載。

3.5 應力計算結果

拱壩應力采用浙江大學水工研究所編制《拱壩分析與優(yōu)化軟件系統(tǒng)ADAO》程序進行計算，將拱壩按7拱13梁進行計算。應力計算結果見表4。

由表4可知，拱壩最大主壓應力特殊荷載組合為4.29 MPa，最大主壓應力基本荷載組合為3.92 MPa，滿足容許抗壓要求;最大主拉應力特殊荷載組合為1.26 MPa，基本荷載組合為1.19 MPa，滿足壩體容許抗拉要求。

4 結語

水庫大壩兼有擋水、泄洪、放水等功能，其結構設計意義重大。拱壩是水庫擋水建筑物中體積最小且對地形及基礎地質要求最高的一種壩型，一旦出事，危害極大，設計中須提高對水庫拱壩設計的重視，在其布置及體型設計過程中需要結合地形地質情況，合理布置優(yōu)化設計，使其既安全又節(jié)省，確保水庫更好地發(fā)揮其攔洪蓄水能力及效益。

［1］黃小輝.平和花溪拱壩設計前期分析及施工調整［J］.漳州職業(yè)技術學院學報，2005，07(02):20-23.

Design of Arch Dams Based on Retaining Dam Reservoir

YANG Zheng-meng and LIAO Sheng-hai
(Guizhou Qiandongnan Water Conservancy ＆ Power Investigation and Design Institute，Kaili 556000，China)

Reservoir，as an important water conservancy hub，carries the arduous task for people's daily life and agricultural production.Reservoir not only serves as flood control dispatching，ensures peace，but also makes great contributions in irrigation，electricity generation，drinking water for human being and animals.A little carelessness will bring countries and people unpredictable disaster，so it is vital to guarantee the dam security.It is essential to ensure the safe and stable operation of reservoir impounding dam in the design phase;especially it is crucial for the normal operation and safety of the reservoir in arch dam design.

reservoir;impounding dam;arch dam design;layout optimization;stability;stress calculation

TV642.4

A

1007-7596(2014)05-0019-03

2013-11-26

楊正猛(1979-)，男，貴州黎平人，工程師，從事水利水電建筑設計工作;廖聲海(1979-)，男，貴州黎平人，工程師，從事水利水電建筑設計工作。