碾壓混凝土雙曲拱壩設計研究

趙青，張敏，趙勤霞

（1.黃河水利職業技術學院 水利工程學院 水利水電建筑工程教研室，河南 開封 475004；2.黃河水利職業技術學院 水利工程學院 安全技術與管理教研室，河南 開封 475004；3.青海大學，青海 西寧 810016）

1 工程概況

江西某水電站流域面積208km2。正常的蓄水位為735m，最大壩高近140m（在實施過程中如果壩基的條件較為優秀，壩基高度則整體抬高7m，故實際最大壩高達130m），其中總庫容將近3000 萬方，調節庫容1600 萬方。水庫總裝機容量達50MW，保證輸出5.2MW，均年發電量1.02 億千瓦時。水電站之樞紐工程達到二等中小型工程的規模[1]。由于該水電站的壩高超過100m，故建筑物提高一級級別到二級。按照每一百年一次遭受洪水、五百年一次遭受洪水的規定進行設計和校正考核泄水和修建大壩的結構物；按照每三十年就要遭受一次洪水的標準來設計出消能和防沖擊性建筑。

2 拱壩體型設計

2.1 拱壩布置

該水電站的主要建筑物由GIS 樓和發電引水隧洞等組件組成。用來引水發電的全隧洞長近6km，引用流量21m3/s，其中安置了直徑為9 米的簡便防滲調壓井。水電站堤身頂拱最大角82°，頂拱長120m，拱冠頂厚6m，底厚23m，高厚比達到0.176。壩身采用泄洪表孔，布置三孔以寬度和高度分別為11m 和8m 的表孔鑄于堤身，頂高730m，采用為弧形的控制閘門，壩頂平面結構布置見圖1。采用窯洞方案開挖壩肩，洞頂高750m，頂寬10m 左右，洞深約14m。

圖1 壩平面布置圖

2.2 拱壩計算方法

本工程中進行計算時，利用了拱壩試載法程序靜動分析法（中國水利科學研究院抗震結構中心），分載法的計算原理為在拱壩中選取一些雙寬懸臂壩梁和雙高水平壩拱，把水的荷載給若干梁、拱單元均勻分配，使得梁與拱的交界線位置在變位一致的指定方向[2]。在變位中，由于變位并沒有完全相同，故要改變徑向變位，再重新調控改變拱梁的負荷，直至拱梁的各個共軛點徑向變位達到基本完全相同，徑向變位值增加到MAX 時，各個點的扭轉變位和其他各點的切向變位不會湊巧相同，想使兩種變位的切向、扭轉角變位也達到一致，就需要在拱和梁之間增添內力促，接著改變整合徑向負荷的調控，像這樣反復地計算，直到相應的結點的徑向、切向和角變位基本一致方可以得出計算結果。

2.3 拱壩體型選擇

拱壩的體形我們一共擬定了三種方案來進行施工，分別是拋物線拱、三心圓拱和五心圓拱，通過對以上詳細數據的表格我們可以進行數學模型的對比分析，從而能夠清晰地規劃出三個線形的單曲拱壩方案中更優化的一部分[3]。接下來反復調度三種已選擇的拱壩方案中——中心角、拱端厚度和半徑等數據，可以得出如下：①上游面最大拉應力；②上游面最大壓應力；③下游面最大拉應力；④下游面最大壓應力情況等四種負荷數據[4]。詳情見壩型應力數據計算表，如下表1 所示。

表1 各個壩型應力數據計算成果表

根據上表所示，拋物線拱方案與三心、五心圓拱之類多心圓拱方案的上下游面之間都能滿足拉應力設計控制標準（規定一點五兆帕），最大拉應力上下浮動水平較小，但很明顯，比起來拋物線拱方案，多心圓拱方案的壓應力大許多，而多心圓拱方案的上游面在右岸拱端高程650m 處的部位[5]，MAX、MIN 值分別為7.45MPa、7.06MPa，與6MPa 的控制標準不符合。故最后得出的結論為拋物線拱方案最符合本次施工規范要求。

2.4 拋物線拱壩型參數

水電站大壩拱冠梁和水平拱圈都采用了拋物線，拱冠梁——下游曲線為拋物線方程，這些方程為：

下游面Y下=0.00438257382943×Z2-2.8592364326238944×Z+484.948326632544384

上游面Y上=0.00487632865623×Z2-1.837862342334774×Z+605.7549365325472384

中面Y中=0.003724686453274×Z2-2.7832462547542776×Z+667.36243268737883284

拱冠梁二次方程圖像曲線的開口向下，拱圈拋物線的參數方程為：，R 同上，為中心角。二次方程，其中B 為拱冠的凸度，R 為x=0 處的曲率半徑。表2為左側拱參數拋物線，表3 為右側拱參數拋物線[6]。

表2 防滲墻性能檢測結果

表3 二次方程右側拱參數

3 大壩外形結構設計

3.1 壩體材料分區設計

我們知道混凝土大壩對壩體應力以及溫控等諸多方面都有明確的施工規范要求，以這些要求為準則，可以將混凝土進行如下分區（見上方拱壩剖面圖2）：

圖2 拱壩剖面圖

（1）大壩頂層壩面690m 以下5m 厚、670m 以上3m 厚的防滲層采用C0805 級碾壓混凝土，防滲等級W1005。

（2）電站壩主體部分670m 以下采用C0805 型混凝土，670m 以上使用C0805 型混凝土。

（3）閘墩采用C0805 型號混凝土澆筑；由于其表孔雙寬水流量非常大、且流動速度極快，[7]在溢流面采用1m 厚的C0805 型號混凝土，具有抗沖耐磨的效果。

3.2 壩體分縫設計

結合我們水電站大壩河谷U 型特點，建立起大壩的基面。600m 高程大壩拱圈的弧長只有不到35m，630m 拱圈弧長63m，而壩頂弧長將近120m，必要分析圍巖強度擁有堤身未自然降溫時即可引水發電的性能，而且擁有層間破碎帶碾壓式施工，推進工作實施效率進程的特質，該縫的元素構成精簡，工程工藝進展容易得到保證。本水電站拱壩安排一號、二號兩條誘導縫，誘導縫從650m 到頂部，650m 以下堤身全部灌溉，一號、二號兩條縫將650m 以上堤身分為三段。

3.3 壩體結構優化設計

本次工程大壩最高者690m，屬于大中壩，依據《混凝土雙曲拱壩設計規范》(SL483-2020)的標準。一比零點五的強風化地層結構，1：1 土質邊坡，對地質條件不達標的區域發掘邊坡采用錨以及網，或噴連結支持解決。水電站壩基發掘顯示出的薄脆中間層區域進行非整體的深度發掘重新填置混凝土。[8]

鞏固灌漿。在水電站壩基開始施工的過程中，工程爆破會有一定的概率使巖體受到巨震而松動，會導致其承載力的降低，而且具有一系列縫隙往堤身巖體內部貫通的可能性。對堤身巖石層作鞏固灌溉，優化基礎載重性能，是保證堤身穩固的必要條件。鞏固灌漿孔在全體壩基面分布，沿堤身底部方向呈雪花狀按六排安置，排距3m，大壩基礎橫向孔間隔距離3m，深8m，灌漿壓力控制在0.6MPa 左右。[9]

防滲處理。根據最短標準敲定兩岸防滲帷幕線，堤身段灌漿中間區域弧線布置，孔距兩米，大壩基礎邊界灌漿工程在灌漿回廊中按2km 高程以下進行，而2km高程以上的從堤身打孔進行，帷幕灌漿MAX 孔深近70m。在灌漿平洞處重點針對兩邊的防滲帷幕開始修筑，平洞的規模構建，是寬和高分別為3m、3.5m 的洞型隧道洞，由基巖參照標準可規劃，本工程將拆成兩期完成右側灌漿，第一期防漏界跨越第三脆裂帶，平洞長近200m，雙排置換，第二期工程防漏界限位于同規模溢洪道與常規庫水位交界處，一平洞長近400m，左側總長578m，中心線角度東14°，灌漿孔距兩米，雙排布置，孔深MAX70m；右側隧道洞長258m，中心線角度西54°，灌漿孔距2m，雙排布置，孔深MAX66m。

4 結論

總體而言，雙曲碾壓混凝土拱壩方案可以最為理想地滿足大壩地形的不對稱，拉應力所處位置俱到，堤壩地上、下游面MAX 應力都能達到文件標準，所需工作量縮減到較小值，工程耗費財力不大，性價比高。