青年水電站砌石薄拱壩設計

向富初

（澧水水利水電勘測設計研究院　　張家界市　427200）

青年水電站砌石薄拱壩設計

向富初

（澧水水利水電勘測設計研究院張家界市427200）

慈利縣青年電站1982年投產后，時隔22年工程改擴建，漿砌石薄拱壩由原建32m加高至67m，河床中央部位壩體為定圓心，等外半徑，向兩岸調整為變圓心、變半徑、變中心角，壩體上游面向上游倒懸的趨于“扁平化”的體型布置，有利于改善兩岸壩肩巖體受力及穩件條件，又可得到較為合理的壩體應力分布。指明地方中小規模拱壩加高擴建簡單可行的途徑，這也是青年電站薄砌石拱壩的顯著特點。

漿砌石薄拱壩壩肩應力及穩定條件倒懸改擴建

1 概　述

青年水電站是全國首批農村電氣化試點縣——張家界慈利縣電網中布置較為合理以發電為主的地方工程，位于三合鄉向家溪上游，電站正常蓄水位340.00m時，相應庫容為832萬m3，水庫校核洪水位345.80m時，總庫容982萬m3，電站擴建后，裝機容量為2240kW。砌石薄拱壩原設計壩高為64.00 m，原已建成32m，壩高程為318m，工程擴建后最大壩高為67.00m，壩頂高程為347.00m，壩高增高了29.00m，最大壩體厚度12.00m，厚高比為0.179。工程始建于1976年，于1982年首臺125kW機組發電。2004年9月張家界澧水水利水電勘測設計研究院提交了本電站擴建工程初步報告，于2005年10月由慈利縣星源發電有限公司負責本電站的擴建開發，投資擴建動工興建。

2 壩址地形地質條件

青年電站壩址位于向家溪流入狹窄河谷地貌的前段，壩址兩岸地形整齊，山頂高程均在600.00m以上，兩岸岸邊較陡，約70°以上，高程380.00m以上，右岸巖坡比左岸偏緩。兩岸地形基本對稱，壩址地段河谷為典型的“V”型橫切河谷，河流流向與山體巖層走向近乎垂直，河谷寬高比（L/H）約0.86，為理想的建拱壩優良地形。但右壩肩高程320.00m以上，岸坡變緩，壩肩后部基巖地形向內收縮，稍顯單薄，對高程320.00m以上，右壩肩拱端合力的傳力方向與壩肩穩定，略有影響。

壩址基巖為嘉陵江組中厚層狀白云質灰巖，巖性單一，巖體完整性較好，巖石縱密堅硬，物理力學參數較高，參照同類地層江埡工程，其巖石飽和抗壓強度R6=（40～50）MPa，抗剪斷強度f=1.0（巖/巖），C1=0.8MPa。

3 大壩布置及壩體設計

3.1大壩布置

1981年4月青年電站砌石拱壩按原有等外半徑變中心角拱壩體型已施工到318.00m高程，2004年6月擴建工程初步設計時，大壩布置及拱壩體型根據已確定的壩軸線，在基本選定了拱壩體型的基礎上進行。本工程在原建318m以上壩體加高續建的“扁平”化措施是在河床中央部位偏右岸2m，采用壩上游面直立，兩岸逐漸向上游倒懸的變圓心、變半徑、變中心角的砌石拱壩，左、右兩岸壩體最大倒懸度分別為0.039∶1，0.163∶1，均小于規范規定值0.3∶1，庫空狀態倒懸壩段最大拉應力為0.53MPa。“扁平”化布置使水平拱圈拱端內弧面切線與同高程可利用基巖等高線之間的夾角增大5°～10°，均大于30°。附圖為大壩平面布置圖及中央梁剖面圖。

附圖　大壩平面布置圖及中央梁剖面圖

3.2壩體設計

采用彈塑性多拱梁分載法計算程序，將新老壩體劃分為5拱7梁，考慮四向變位調整即（徑向、切向、水平扭轉垂直扭轉、再徑向）進行壩體應力計算。基本荷載組合考慮了正常溫降，特殊荷載組合考慮了正常溫升。計算結果列于表1。

表1　大壩控制應力與最大位移

規定：拉應力為負，壓應力為正；指向上游位移為正。

從表1可知，基本荷載組合最大主壓應力為2.43 MPa，小于《漿砌石壩設計規范》SL25-91規定位4.7 MPa，最大主拉應力為-0.811MPa，小于規范規定值1.0Mpa，特殊荷載組合，最大壓應力2.99MPa，小于規范規定值5.5Mpa，最大主拉應力為-0.829，小于規范規定值-1.0MPa。壩體應力分布規律要合理，最大主壓應力發生在拱端下游面，最大主拉應力發生在拱端的上游面。壩體的徑向位移值均較小，對兩岸壩肩兩條層面小節理f1，f2的壓縮變形（f1、f2）的壓縮變形（f1、f2經固結灌漿處理后）是有限的，均處于控制范圍內。

3.3壩肩穩定分析

向家溪豬槽潭壩址從地形地質條件分析，是理想的拱壩壩址。兩岸壩肩略為發育的順層夾泥節理規模小，張開或延伸等發育程度低，基本上對壩肩穩定不構成威脅。右岸高程320.00m以上，拱端下游持力山體略顯單薄，通過壩體上部320m高程，采取向上游倒懸，變圓心、變中心角、變半徑的“扁平化”調整后，采用剪摩（抗剪斷）公式對拱端擬轉動抗滑穩定進行計算，成果列于表2。

從表2可知，拱壩拱端轉動抗滑穩定安全系數均滿足《漿砌石壩提升規范》SL25-91要求。

表2　拱座轉動抗滑穩定安全系數

4 結　語

（1）中、低拱壩采用變圓心、變半徑、變中心角、壩體上部略向上游倒懸的體型，是一種可行的“扁平”化措施，有利于壩肩穩定條件，又可得到較為合理的壩體應力分布。從設計施工實踐角度指明了地方中小規模的拱壩加高擴建簡單可行的途徑，這也是青年電站薄砌石拱壩的顯著特點。

（2）拱壩體型扁平化，其應力分布與抗拉壓應力極值有可能惡化，但大壩合理布置后，仍可得到可行的設計，使拱端推力角偏向山里巖體深部約5°～10°。

（3）在拱壩壩肩有軟弱地帶的情況下，采用中部壩體定圓心，等外半徑、兩岸壩體采用變圓心、變

［1］朱伯芳.雙曲拱壩的優化［J］.水利學報，1981，（2）.

［2］張光斗，王珧倫.水工建筑物［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［3］王毓泰，周維恒.拱壩壩肩穩定分析［M］.貴州：貴州人民出版社，1982.半徑、變中心角的變曲率體型布置有條件的應進行三維有限元應力計算，并加強基座的基巖處理。

向富初（1971-），男，大學專科，工程師，主要從事水利水電工程設計工作。

（2016-07-14）