哈薩克斯坦圖爾古松水電站左岸扶壁擋墻砂礫石壩設(shè)計(jì)

楊云超，馬 寧，鞏緒威

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

圖爾古松水電站位于哈薩克斯坦的圖爾古松河上，電站采用河床式布置。壩頂高程571.0 m，工程正常蓄水位567.5 m，最大壩高36.5 m，裝機(jī)容量為24.9 MW，為Ⅳ等小(1)型工程。樞紐建筑物由左岸連接壩段、左岸扶壁壩段、安裝間壩段、廠房壩段、泄洪深孔壩段、溢流表孔壩段、右岸重力壩段等組成。

左岸扶壁壩段長(zhǎng)118.0 m，分為4～9號(hào)共6個(gè)壩段，最大壩高30.5 m，壩體結(jié)構(gòu)型式為扶壁式擋墻砂礫石壩。

1 壩型選擇與斷面尺寸初擬

結(jié)合地形地質(zhì)、樞紐布置、壩型適應(yīng)性、泄洪消能、施工條件、工期、工程投資等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較論證，并考慮本工程區(qū)域?qū)儆跇O端大陸性氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)的特點(diǎn)，初步擬定大壩采取混凝土重力壩方案。

由于各種外界因素的影響，工程混凝土總方量受到一定限制，在初步擬定混凝土壩方案后，對(duì)壩體斷面型式進(jìn)行了充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證。

由于扶壁式擋墻具有墻身斷面較小、混凝土用量少，可以較好的發(fā)揮材料的強(qiáng)度性能，并可適當(dāng)減少地基開(kāi)挖等優(yōu)勢(shì)，故考慮左岸擋水壩段采用高扶壁擋墻砂礫石壩的結(jié)構(gòu)型式。擋墻下游側(cè)采用砂礫石進(jìn)行填筑來(lái)保證壩體的整體穩(wěn)定性。同時(shí)建筑物開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的棄渣盡可能的填筑在壩體上游面，可在低溫條件下對(duì)扶壁式擋墻墻身起到一定的保溫作用，棄渣的充分利用，減少了工程施工對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響。

依據(jù)混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范，并考慮流冰期的最大冰厚，確定壩頂高程為571.0 m。綜合考慮壩址區(qū)地質(zhì)情況及壩體基巖的可利用情況，左岸4～5號(hào)擋墻建基面開(kāi)挖至基巖553.5 m高程，6～9號(hào)壩段隨地形條件建基面逐漸降低。考慮到地基為巖基，承載能力較高，底板寬度取壩高的0.8倍[1-2]。擋墻沿壩軸線方向分段布置，分段長(zhǎng)度20 m，并設(shè)伸縮縫，縫寬1.0 cm，設(shè)兩道橡膠止水帶。由于擋墻高度超過(guò)15 m，扶壁間距考慮取壩高的0.3倍，扶壁厚度取扶壁間距的1/6。考慮擋墻防滲抗凍要求，并結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)建筑物止水帶布置特點(diǎn)，墻身初擬厚度取2.5 m，底板厚度2.0 m[2-3]。

聚脲能適應(yīng)高寒地區(qū)的低溫環(huán)境，尤其是能抵抗低溫時(shí)混凝土開(kāi)裂引起的形變而不滲漏。故考慮在迎水壩面噴涂2 mm聚脲材料，加強(qiáng)混凝土防滲抗凍性。

為保證扶壁式擋墻的自身穩(wěn)定，墻后采用非凍脹性的砂礫石進(jìn)行填筑。擋墻后設(shè)計(jì)填筑至568.0 m高程，按照1∶2放坡與原地面線相接，壩體典型斷面結(jié)構(gòu)型式及尺寸詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 扶壁擋墻砂礫石壩典型斷面簡(jiǎn)圖

2 荷載及其組合

斷面結(jié)構(gòu)尺寸初步擬定后，為了進(jìn)行壩體的整體穩(wěn)定驗(yàn)算和擋墻各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行荷載計(jì)算。

作用于扶壁擋墻上的主要荷載包括擋墻自重及填土重、土壓力、靜水壓力、揚(yáng)壓力、冰壓力、地震作用等。其中土壓力的計(jì)算是擋墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，墻后按主動(dòng)土壓力計(jì)算，墻前按被動(dòng)土壓力計(jì)算[3]。

扶壁擋墻在完建、校核、正常蓄水、冰凍及地震等工況下，會(huì)產(chǎn)生不同的荷載組合，設(shè)計(jì)中需充分考慮最危險(xiǎn)工況。

3 穩(wěn)定驗(yàn)算

扶壁擋墻斷面初步擬定后，結(jié)合前一節(jié)所計(jì)算的荷載，并將扶壁擋墻墻身與底板上部有效填土作為一個(gè)整體，驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。確保擋土墻不產(chǎn)生整體穩(wěn)定破壞。

校核工況下驗(yàn)算穩(wěn)定性的荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示，其余工況根據(jù)所受荷載不同而相應(yīng)的變化。對(duì)抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定及基底應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明，初步擬定的壩體斷面滿足整體穩(wěn)定要求。

圖2 穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)算簡(jiǎn)圖(校核工況)

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擋墻設(shè)計(jì)在滿足上述整體穩(wěn)定要求的前提下，進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證所擬定的斷面具有足夠的強(qiáng)度并滿足經(jīng)濟(jì)合理的要求。主要內(nèi)容包括：①選擇控制工況和典型斷面，進(jìn)行外荷載和內(nèi)力計(jì)算；②對(duì)選擇的控制截面進(jìn)行配筋計(jì)算以及裂縫開(kāi)展寬度驗(yàn)算。

本工程借助有限元軟件ANSYS進(jìn)行擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有限元計(jì)算模型如圖3所示，模型中X、Y、Z分別為順?biāo)鞣较?向下游為正)、豎直方向(向上為正)及沿壩軸線方向(向右岸為正)[4]。

圖3 扶壁式擋墻三維有限元模型

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，表1中所示為應(yīng)力值的范圍，SX、SY、SZ分別為沿對(duì)應(yīng)方向的正應(yīng)力，正值代表拉應(yīng)力，負(fù)值代表壓應(yīng)力，單位MPa。地震(1)表示順?biāo)鞯卣鸸r，地震加速度方向指向下游；地震(2)表示垂直水流地震工況，地震加速度方向指向左岸；地震(3)表示順?biāo)鞯卣鸸r，地震加速度方向指向上游。

表1 正應(yīng)力計(jì)算成果表 MPa

利用有限元方法計(jì)算出結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力后，根據(jù)應(yīng)力結(jié)果選擇控制工況下的典型截面作為配筋截面，根據(jù)截面的拉應(yīng)力圖形面積，計(jì)算拉應(yīng)力的合力，再根據(jù)下式[5]計(jì)算鋼筋面積。

式中：fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取360 MPa；As為受拉鋼筋面積，m2；T為拉應(yīng)力的合力；T=Ab，A為拉應(yīng)力區(qū)面積，b為截面寬度，取單寬1 m。

根據(jù)計(jì)算鋼筋截面積，進(jìn)行扶壁擋墻的鋼筋配置，如圖4所示。

圖4 鋼筋布置示意圖

根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)裂縫開(kāi)展寬度進(jìn)行驗(yàn)算，經(jīng)計(jì)算滿足抗裂要求。公式[6]如下：

σsk≤αsfyk

式中：σsk為標(biāo)準(zhǔn)組合下的受拉鋼筋應(yīng)力；σsk=Tk/As，其中As為受拉鋼筋截面面積，Tk為標(biāo)準(zhǔn)組合下由鋼筋承擔(dān)的拉力；fyk為鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

5 壩基處理設(shè)計(jì)

由于工程區(qū)域節(jié)理裂隙較發(fā)育，因此，為提高基巖的整體性和強(qiáng)度，進(jìn)行壩基固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿孔按照孔深6 m，間排距3 m，梅花形布置。灌漿壓力應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定，接觸段灌漿壓力不得大于0.3 MPa，接觸段以下各段灌漿壓力宜分級(jí)升高。在不抬動(dòng)混凝土蓋重的前提下，灌漿壓力宜取大值。

為了減少壩基滲流量、降低壩底滲流壓力，需在壩基進(jìn)行帷幕灌漿，灌漿控制標(biāo)準(zhǔn)為基巖透水率5Lu以下3～5 m。結(jié)合工程建筑物布置特點(diǎn)，防滲帷幕布置在壩軸線上游0.8 m處，灌漿孔間距2 m布置[6]。

6 結(jié) 語(yǔ)

本工程地處嚴(yán)寒地區(qū)，當(dāng)?shù)氐挠行┕すて谳^短，結(jié)合工程特點(diǎn)，經(jīng)設(shè)計(jì)研究，確定左岸擋水壩段采用扶壁式擋墻砂礫石壩型式。

經(jīng)過(guò)穩(wěn)定驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算、地基處理設(shè)計(jì)等，表明該壩體型式可滿足建筑物擋水要求，結(jié)構(gòu)安全可靠、尺寸擬定合理，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。