習(xí)水河楊家灣水電站工程擋水大壩設(shè)計(jì)

李 莎

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽550002)

1 工程概況

習(xí)水河楊家灣水電站位于貴州省赤水市官渡鎮(zhèn)，電站壩址位于官渡鎮(zhèn)上游12 km的習(xí)水河上，裝機(jī)9 MW，為無調(diào)節(jié)徑流式水電站。攔河大壩高14.77 m，采用M7.5 漿砌條料石砌筑。發(fā)電引水隧洞長1200m，為無壓引水隧洞。

本工程大壩高14.77 m，水庫總庫容15.5 ×104m3，電站裝機(jī)9MW。根據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL 5180—2003)規(guī)定，上壩線方案水庫樞紐工程等別為五等，工程規(guī)模為小(2)型，工程等別為五等工程。

本工程主要建筑物有擋水大壩、泄洪建筑物(泄洪表孔)、沖沙底孔、發(fā)電引水系統(tǒng)建筑物(進(jìn)水口、隧洞、壓力前池、壓力鋼管)、發(fā)電廠房等按5 級建筑物設(shè)計(jì);相應(yīng)的永久性次要建筑物如上壩公路、輔助及生產(chǎn)生活用房等均按5 級建筑物設(shè)計(jì);臨時(shí)性水工建筑物如施工圍堰、施工道路、臨時(shí)房屋等均按5級建筑物設(shè)計(jì)。

2 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大壩為重力壩，壩軸線方位角為N36°E，壩頂高程396.77 m，上游面設(shè)防浪墻，墻高1.2 m。壩底高程382.00 m。大壩采用M7.5 漿砌條料石砌筑，其下部設(shè)0.5 m厚C15 二級配常態(tài)混凝土墊層，壩高14.77 m，大壩頂寬3 m，底寬12.1 m，下游面395.0 m高程以上為鉛直，以下按1∶0.7坡度放坡。大壩長131.0 m，分為非溢流壩段和溢流壩段，樁號0+000 m ～0+037.00 m段為右岸非溢流壩段，0+037.00 m ～0+097.00 m段為溢流壩段，0+097.00 m ～0+131.00 m段為作案非溢流壩段。

大壩上游面采取M10 水泥砂漿勾縫作為壩體的防滲層。壩基開挖至強(qiáng)風(fēng)化線上部，基巖開挖邊坡為1∶0.5，覆蓋層開挖邊坡為1∶1。壩基做固結(jié)灌漿，灌漿孔距4.0 m，孔深5.0 m。由于壩體工程規(guī)模小，壩基巖層為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖相間分布，為良好的隔水層，壓水實(shí)驗(yàn)顯示Lu ＜5，故不需做防滲帷幕灌漿。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)基本資料

3.1.1 水文資料

習(xí)水縣氣象站位于習(xí)水縣東皇鄉(xiāng)，建于1940年，是國家基本氣象站。根據(jù)習(xí)水氣象站觀測，貴州省氣候資料中心整編并刊布的統(tǒng)計(jì)資料，習(xí)水縣多年平均氣溫13 ℃，最冷月一月平均氣溫2.6 ℃，最熱月七月平均氣溫22.9 ℃，極端最低氣溫－8.6 ℃(1982年12月26日)，極端最高氣溫34.4℃(1972年8月27日)。年平均日照時(shí)數(shù)1124.3 h，日照百分率25%，以夏季為最多，冬季為少。年平均相對濕度85%，年平均霧日數(shù)25.7 d，大風(fēng)日數(shù)0.7 d，冰雹日數(shù)0.7 d，雷暴日數(shù)46.3 d，降雪日數(shù)22.4 d。年平均風(fēng)速1.5 m/s，最大風(fēng)速13.0 m/s，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閃 風(fēng)，夏季盛行SE 風(fēng)，冬季盛行W 風(fēng)［1］。

據(jù)習(xí)水氣象站觀測資料分析，多年平均降水量為1101.1 mm(其中5—8月占58.1%，4—9月占76.8%)，日降水量P ≥0.1 mm降水日數(shù)211.7 d，P≥25.0 mm降水日數(shù)9.7 d，P ≥50.0 mm降水日數(shù)2.1 d，年最大一日降水量發(fā)生在1968年5月22日，日降水量達(dá)178.8 mm。

3.1.2 地質(zhì)資料

上下壩址巖石以泥巖、砂巖為主，軟硬巖石相間產(chǎn)出，強(qiáng)度不高，根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，其容重為2.60 ～2.65 g/cm3，飽和吸水率0.01 ～0.03。砂巖濕抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為45 ～65 MPa，巖塊飽和彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值24.0GPa，泊松比為0.28;泥巖濕抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為8.0MPa，巖塊飽和彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值8.2GPa，泊松比為0.30。據(jù)鉆探揭露，壩址區(qū)表層砂巖強(qiáng)風(fēng)化巖體因裂隙影響完整性較差，沿裂隙面無充填現(xiàn)象;弱風(fēng)化基巖一般巖質(zhì)較新鮮，錘擊聲脆，多數(shù)結(jié)合較緊密，巖體較完整。由于壩址區(qū)段軟巖體強(qiáng)度＜15 MPa，巖體為巨厚層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，屬CⅣ類巖體。

3.2 壩頂高程確定

根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果，水庫P =10%水位(設(shè)計(jì)水位)為395.22 m，水庫P =5%水位(校核水位)為396.20 m，水庫正常水位為390.60 m。計(jì)算公式為:

式中:2hL為浪高，m;h0為波浪中心線至水庫靜水位的高度，m;hC為壩頂超高，m。

hc由建筑物等級確定。楊家灣電站大壩等級為5 級建筑物，根據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL 5180—2003)的規(guī)定，水庫設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，hc=0.2 m，校核洪水時(shí)，hc=0.1 m。

2hL、h0按水庫經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:

式中:V 為計(jì)算風(fēng)速，多年平均最大風(fēng)速為15.0 m/s，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)計(jì)算風(fēng)速取1.5 倍計(jì)算多年平均最大風(fēng)速，為22.5 m/s，校核洪水時(shí)計(jì)算風(fēng)速取多年平均最大風(fēng)速;Df為吹程，該水庫吹程為1.0 km。計(jì)算組合:①基本組合:正常水位+風(fēng)浪影響(工況一);②特殊組合:校核水位+風(fēng)浪影響(工況二)。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 壩頂高程計(jì)算表

由表1 可知，壩頂高程的控制工況為校核水位+風(fēng)浪影響情況。經(jīng)比較，取壩頂高程為396.77 m，最大壩高14.77 m，上游設(shè)防浪墻，墻頂高程397.97 m。

3.3 大壩應(yīng)力和穩(wěn)定分析

本工程壩體荷載包括水壓力、揚(yáng)壓力、自重、浪壓力和泥沙壓力等，由于本工程所在地區(qū)地震烈度小于Ⅵ度，大壩為五級建筑物，不考慮地震作用力。大壩荷載組合分為正常工況(基本組合)和非正常工況(特殊組合)，正常工況對應(yīng)正常水位、設(shè)計(jì)洪水位，非常工況對應(yīng)校核洪水位［2］。

1)正常工況(基本組合):①自重+水庫正常蓄水位及相應(yīng)下游水位+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+ 浪壓力;②自重+水庫設(shè)計(jì)洪水位及相應(yīng)下游水位+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力。

2)非常工況(特殊組合):自重+水庫校核洪水位及相應(yīng)下游水位+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力。

3.3.1 穩(wěn)定分析

大壩穩(wěn)定分析主要考慮沿壩基面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算公式為:

式中:K' 為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，按規(guī)范要求，計(jì)算K' 值取基本組合＞3.0，特殊組合＞2.5;f'、c' 為分別為壩體與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)和抗剪斷凝聚力，t/m3;A 為計(jì)算壩段壩基接觸面截面積，m2。

3.3.2 應(yīng)力分析

壩體應(yīng)力分析采用材料力學(xué)法，依照規(guī)范要求，應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)為:各種荷載作用下在計(jì)入揚(yáng)壓力時(shí)壩基面所承受的最大垂直正應(yīng)力σymax應(yīng)＜壩基容許應(yīng)力;最小垂直正應(yīng)力σymin應(yīng)＞0。

應(yīng)力計(jì)算公式為:

式中:σy為壩基垂直正應(yīng)力，MPa;∑W 為計(jì)算截面上全部垂直力的總和;∑M 為計(jì)算截面上全部垂直力及水平力對計(jì)算截面形心的力矩的總和;T 為壩體計(jì)算截面沿上、下游方向的長度。根據(jù)不同工況及荷載組合，計(jì)算大壩應(yīng)力、穩(wěn)定成果見表2。

表2 大壩穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算成果表

綜上所述，壩體在各工況下應(yīng)力和穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

［1］付輝. 洪汝河臨時(shí)擋水設(shè)施研究［D］. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［2］張世泉. 張峰水庫大壩滲流及穩(wěn)定設(shè)計(jì)［J］. 山西水利，2007(02):107 －108.