水庫碾壓混凝土雙曲變厚變曲率拱壩方案優化分析

摘 要：貴州某中型綜合功能水庫，主要工程任務以城市工業供水為主，其大壩推薦采用基于碾壓混凝土技術的雙曲變厚變曲率拱壩，最大壩高72m，壩頂寬度為6.0m。結合工程區地形地貌、地質水文、筑壩料場、運輸施工條件等因素，對水庫大壩的壩型、壩體結構進行了優化布置，并對大壩應力和壩肩穩定性進行了詳細分析計算，確保拱壩方案達到技術上可行、經濟上合理，推動工程安全可靠、高效優質的施工建設。

關鍵詞：水庫；變厚變曲率；碾壓混凝土；雙曲拱壩

1 工程概況

貴州某中型水庫的主要任務以城市工業供水為主，兼顧農田灌溉、下游防洪減災等功能。水庫正常蓄水位為1310.50m，相應庫容為1980萬立方米，每年向工程區境內的火力發電廠、焦化煤廠、石油化工精煉廠、太陽能晶體硅等工礦企業提供原水2350萬立方米（P=97%），其次可以向水庫下游9255畝農業耕地提供灌溉用水約320萬立方米（P=80%），且對水庫下游5個鄉10余村防洪減災提供重要工程設施，并能為下游河道提供生態環境水425萬立方米（P=90%）。該水庫的總庫容為2130萬立方米，處于0.1億立方米～1億立方米范圍，確定工程規模為中型水庫，工程等別為Ⅲ等。工程的總投資為25298萬元，建設工期為30個月。

2 工程區地形地質概況

水庫屬于典型的山區河道型水庫，壩址處河谷為不對稱“U”型縱向谷[1]。壩址左岸上下部地形有較大差異，上部為31～47的坡地，下部則為非常陡峭的陡壁；右岸地形相比左岸坡度較緩，上部坡度為34～47的坡地，下部為57～66的坡地。壩址區河底寬約9～25m，水深0.3～0.8m，河底高程1260～1261m。正常蓄水位1310.50m高程河谷寬123.78m，河谷寬高比為2.28。壩址區域巖體一致性和完整性均較好，巖石強度也較高，比較適宜修建混凝土重力拱壩等剛性壩。距離壩址區約3.5km處有適宜的筑壩材料開采場（場內巖石以白云巖、白云灰質巖等為主），且目前已有縣級公路連接料場與工程區，加上距離工程區約10km的地方有一個中型火力發電廠可以提供粉煤灰材料。因此，綜合工程區地形地貌、水文地質及料場等因素，推薦采用碾壓混凝土重力拱壩作為該水庫壩型。

3 雙曲變厚變曲率拱壩樞紐布置方案

經壩型、綜合成本等因素的對比分析，該水庫推薦采用碾壓混凝土雙曲拱壩，拱冠處壩頂寬6m，壩底厚18m，最大拱端厚20.185m。拱壩中心線方位角S29.8°W，頂拱中心角79.2°，最大中心角87.62°。為適應壩址區左右岸地形地貌不對稱特性，方案優化過程中左、右半拱按照不同圓心變厚變曲率拋物線進行布置，其中左岸其最大曲率半徑為103.595m，右岸其最大曲率半徑為91.168m。拱壩壩軸線長為213.75m。大壩壩基主體放在弱風化帶巖體中部，兩岸壩坡（肩）基礎則放在微風化上部。建基面高程1241.50m，壩頂高程1313.50m，最大壩高72m，拱冠處大壩厚高比0.26。表孔設置在大壩中部，采用3孔尺寸為6.0m（寬）×4.5m（高）的弧形工作閘門進行洪水攔蓄，并設置6m寬鋼筋混凝土梁交通橋連接大壩左右岸。在雙曲拱壩左、右岸分別設置3.0m（寬）×3.5m（高）的帷幕灌漿平洞，為大壩左、右岸防滲帷幕灌漿提供施工作業平臺，其中灌漿平洞左岸長832m、右岸長1015m。

4 變厚變曲率雙曲拱壩結構優化

工程施工建設完成后，整個大壩不作為主要交通樞紐，因此在壩頂寬度確定時只需滿足施工期混凝土碾壓填筑運輸需求即可，綜合考慮混凝土運輸設備、閘門起吊設備、大壩運行監測設備的運行和安裝要求，最終確定壩頂寬度為6.0m。

雙曲變厚變曲率混凝土拱壩，其大壩主體材料采用90天齡期的三級配C15W6F50碾壓混凝土，其中大壩迎水面其防滲層則采用90天齡期二級配C20變態混凝土和90天齡期二級配C20W6F50碾壓混凝土。迎水面變態混凝土厚度為0.5m，二級配防滲混凝土在1266.50m高程以上其厚度為2.0m，而在1266.50m高程以下其厚度為3.0m。大壩基礎采用2.0m厚的90天齡期二級配C20W6F50常態混凝土墊層。大壩下游壩面則采用厚度為0.5m的90天齡期三級配C15W6F50變態混凝土。在大壩壩體共設置4條誘導縫，其樁號分別為壩0+022.165、壩0+066.165、壩0+122.765和壩0+193.265，將壩體共分為5個部分，各壩段長度由22～71.5m不等，在誘導縫上游面側設置兩道銅片止水設施。根據大壩帷幕灌漿及施工期和運營期壩基及壩身自身排水的需求，在壩內1261.50m高程處設置一道2.5m（寬）×3.5m（高）的灌漿排水廊道。

5 變厚變曲率雙曲拱壩應力及壩肩穩定性分析

5.1 變厚變曲率雙曲拱壩應力分析

拱壩應力按照多拱梁法進行分析，其荷載組合包括基本組合和特殊組合[2]。其中，基本荷載組合為：工況1：正常蓄水位1310.50m及相應尾水位（無）+大壩自重+正常溫降低；工況2：洪水位1310.18m與相應尾水位1261.13m+大壩自重+正常溫升；工況3：死水位

1289.00m與相應尾水位（無）+大壩自重+正常溫升。特殊荷載組合為；工況4：校核洪水位1312.60m與相應尾水位1262.50m+壩體自重+正常溫升。

經拱壩應力程序計算，結果表明：該雙曲變厚變曲率拱壩在三種荷載基本組合下，其上下游面拉應力最大為0.83MPa（位于EL1256.50高程右端部），最大壓應力為2.76MPa（位于EL1276.50高程右端部）；荷載特殊組合下上下游面最大拉應力為0.78MPa，最大壓應力為2.76MPa。最大位移為1.522cm，發生在工況1條件正常+溫降工況下的1314.50m高程。最大位移發生位置及位移值均與變厚變曲率雙曲拱壩位移分布規律匹配，計算結果可靠。

5.2 變厚變曲率雙曲拱壩壩肩穩定性分析

大壩兩壩肩其巖體一致性和整體性均較好，但由于其主要結構面存在裂隙、層面，屬層狀結構或鑲嵌碎裂結構，為確保大壩壩肩具有較高安全性和可靠性，采用《拱壩體形優化程序ADASO》電算程序對大壩壩肩穩定性進行分析，計算結果如表1所示。

由表1可以知，大壩左、右岸在正常和特殊工況組合條件下，左、右岸壩肩穩定安全系數均大于3.0，滿足規范技術指標要求。

6 結束語

在該中型III等水庫大壩優化布置過程中，根據工程區的地質、水文等特性，推薦采用變厚變曲率雙曲拱壩方案。經拱壩結構應力和穩定性分析，結果表明所優選的雙曲拱壩方案，具有較高的安全性和壩肩穩定性，能夠滿足技術規范指標要求。

參考文獻

[1]葉小萍，王朝進.水利水電樞紐工程雙曲拱壩優化設計[J].中國水運（下半月），2014（12）：61-63.

[2]李潤偉，陳立秋.江口水電站橢圓型雙曲拱壩設計特點[J].水利與建筑工程學報，2011（6）：33-38.

作者簡介：黃先優（1988-），男，貴州錦屏，侗族，本科，工程師，主要從事水利水電工程設計工作。