某水电站浆砌石拱坝设计[新版]

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1、某水电站浆砌石拱坝设计 作者：袁华阅读：1342 次上传时间：-06-02推荐人：datou1978 (已传论文 1 套)简介： 某水电站挡水建筑物为浆砌石双曲拱坝，采用浆砌石坝体自身防渗的形式，泄水建筑物为坝顶泄洪表孔和坝身泄洪中孔，分别采用大差动齿坎和窄缝挑流消能工。模型实验和实际运营表白，其浆砌石拱坝体型、坝体防渗及泄水建筑物等设计中的某些经验，可供类似工程设计参照。核心字：浆砌石拱坝 泄水建筑物 设计 某水电站 1、概述某水电站位于湖北省某县容美镇，座落在 水支流芭蕉河上，是芭蕉河流域开发的第二级,坝址距某县城2.0km,坝址集水面积337.4km2，近年平均径流量4.55亿m3。大坝

2、采用浆砌石二心双曲拱坝，最大坝高66.0m，水库总库容2428104m3。大坝为3级建筑，相应的设计洪水重现期为50年，校核洪水重现期为5。2、浆砌石拱坝设计2.1 坝址地形、地质条件坝址位于芭蕉河下游河段腰潭峡狭谷中部，河谷两岸山体雄厚，呈不对称的“V”型，左岸岸坡约60，在550m高程以上为高约180m的陡崖，右岸岸坡4050。河床宽约30m，正常蓄水位543.5m高程河谷宽度约105m，河谷宽高比1.9：1，具有修建拱坝的地形条件。坝址出露三迭系下统大冶组第2段（T1d3-2）灰色薄层微晶灰岩夹青灰色极薄层页岩。岩层走向与河流方向近于正交，倾向下游，倾角55。坝址岩体岩性均一，薄层灰岩与

3、极薄层页岩的互层构造，构成了水库及坝基（肩）的相对不透水岩组。坝址地质构造裂隙为主，沿裂隙面及层面岩溶轻度发育，局部较发育，但易于解决。坝址岩体强度较高，强性模量68GPa,具有修建拱坝的地质条件。2.2 拱坝体型设计某浆砌石拱坝设计在初步设计的基本上进行优化，优化的原则及思路为：a.持续性规定：坝体上、下游坝面是持续、光滑的曲面；b.施工规定：坝体构造尽量简朴，坝体悬臂梁最大倒悬度不不小于0.31；c.强度规定：控制施工质量、尽量提高砌体的抗压强度和抗拉强度，但坝体计算应力不超过规范控制值d.稳定规定：拱座抗滑稳定安全系数不不不小于现定值；e.经济性规定：在满足上述规定的基本上尽量减小坝体体

4、积（即工程量最小）。根据上述原则并结合坝址具体地形、地质条件，拱坝在布置和体型选择上重要着重考虑河谷不对称，左岸岸坡较陡而右岸稍缓；同步，左岸岩体受裂隙影响较右岸严重，选择和拟定拱坝体型时，针对左、右岸坝肩地形和地质条件的差别，对各高程拱圈左、右两半拱的曲率半径和中心角进行调节、试算和选择，拟定拱坝在平面布置上采用二心圆拱，使左、右半拱的曲率半径和中心角均适应坝址的地形、地质条件，以使坝体应力和拱座稳定均有利。2.2.1 拱坝体型设计1）坝顶厚度TC坝顶厚度按经验公式（2-1）1和美国垦务局经验公式3（2-2）和初步选择Tc=0.4+0.01(L+3H)(2-1)0.01（H+2.4L）0.0

5、1（H+2.4L）TminTc=Tmin0.01（H+2.4L）Tmin按上两式分别计算得坝顶厚度Tc=3.66m（2-1）和Tc=3.73m（2-2），但坝顶最小厚度按交通规定定为Tmin=4.0m，即按式（2-2）取Tc=4.0m。2）坝底厚度TB坝底厚度按任德林公式2（2-3）和式（2-4）3分别计算。TB/H=0.132（L/H）0.267+2H/1000(2-3)TB =0.7LH(2-4)L=(LB+LC)/2按(2-3)和（2-4）计算分别得出TB=19.1m和TB=16.9m，初步设计阶段拟定的TB=17.5m。技施设计时以初步设计拟定的TB=17.5m作为拱坝优化设计的计算初

6、始值，通过调节拱圈平面布置（曲率半径和中心角）、坝体倒悬度等参数，并进行应力分析和稳定计算，采用逐次逼近和试算的措施对拱坝体型进行优化，最后拟定本工程浆砌石拱坝坝底厚度TB=15.5m，坝体厚高比TB/H=0.235。3）拱圈平面布置有关资料表白3、4，拱坝顶部拱圈趋向于采用较小的中心角，且一般在80100之间，坝体应力状况较好，同步可满足拱端推力指向两岸山体，对拱座稳定有利；底拱中心角受坝体倒悬度及布置的限制，常采用4080的中心角。某水电站浆砌石拱坝为适应两岸不对称的河谷地形，拱圈采用二心园弧的平面布置形式，如图1。图1.拱坝平面布置图通过逐次逼近和试算的优化措施，对各高程拱圈的曲率半径和

7、中心角分左、右两个半拱进行调节，在坝体应力和拱座稳定满足规范3规定的前提下，拟定顶拱中心角为86，其中左半拱37.5，右半拱48.5，底拱中心角54，左、右半拱均为27；顶拱外半径左、右半拱分别为RUL=99.35m和RUR=99.47m，底拱外半径RUB=44.13m。经计算，在约1/3坝高部位即505.5m高程附近，正常蓄水的运营条件下，拱圈产生最大拉应力和压应力，进行平面布置时，在满足持续性和坝体倒悬度规定的前提下，这一高程拱圈尽量采用较大的中心角，经调节和试算，拟定505.5m高程拱圈中心角采用72,其中左、右半拱分别为33和39，拱圈曲率外半径左半拱RUL=63.39m，右半拱RUR

8、=65.94m。4）拱冠梁剖面拱冠梁上、下游坝面由三段圆弧构成，其中上游坝面切点A（高程505.5m）以上为一段（CA），切点如下为一段（AB）；下游坝面为一段（GF），三段圆弧的曲线方程分别为：CA段：（x-82.185）2+(2-42.000)2=92.2952AB段：（x-71.690）2+(2-42.000)2=81.8002GF段：（x-91.555)2+(2-26.569)2=91.4972拱冠梁断面见图2：图2.拱冠梁剖面图由上述2）、3）、4）可得出浆砌石拱坝基本参数见表1。表1浆砌石拱坝基本参数表2.2.2 浆砌石拱坝设计计算1）拱坝应力计算拱坝应力采用拱梁法进行计算，拱圈自

9、溢流堰顶高程538.5m开始，计算时坝体沿坝高方向分10段，合计算11层拱圈（见图2）。荷载组合取用基本组合（正常蓄水+温降）和特殊组合（校核洪水+温升）两种组合方式，计算成果见表2。表2拱坝应力计算成果拱坝优化设计时调节体型参数和应力计算、稳定分析是一并进行且反复试算和选择的过程，优化的条件是坝体应力和拱座稳定必须满足规范规定规定4，因此，表2所列应力值满足悬臂底部拉应力不不小于1.5MPa ，其他部位拉应力不不小于1.4MPa ，坝体压应力不不小于3.6MPa的规定。2）拱座稳定分析坝址处裂隙具有倾角陡，分布稀的特点，其中J24为顺河的卸荷裂隙，距坝肩约20m，构成拱座岩体滑动的侧裂面，而

10、J21J23与河流方向正交，构成拱座岩体的破裂面，起切割作用。由于坝址处未发现缓倾角的裂隙及其她构造面，经分析，拱座岩体滑动不存在明显的底裂面，为偏于安全计，分析时取底裂面为水平面，其抗剪断强度取与J24相似的参数：f=0.6,c=0.5MPa。拱座岩体稳定分析采用刚体极限平衡法计算拱座岩体整体的抗滑稳定安全系数4、5。在侧裂面F1、底裂F2和破裂面F3的切割作用下，拱座承受拱端传来的荷载、岩块自重及渗入压力的作用，拱座岩体整体抗滑稳定安全系数KC:Kc=f1(R1-U1)+C1A1+f2(R2-U2)+C2A2/(S1+S2)(2-5)式（2-5）中，R1，R2构造面F1、F2上的法向力；f

11、1,f2构造面F1、F2上的抗剪断摩擦系数C1，C2构造面F1、F2上的抗剪断凝聚力强度S1，S2构造面F1、F2上的切面力A1，A2构造面F1、F2的面积按式（2-5）经空间力系的分解、合成和坐标变换，计算出Kc值见表3，其中荷载组合与应力分析时相似。表3拱座抗滑稳定安全系数f=0.6,C=0.5Mpa荷载组合左坝肩右坝肩基本组合Kc=5.64Kc=6.67特殊组合Kc=4.08Kc=5.49由表3可以看出，拱座岩体整体抗滑稳定安全系数均满足Kc3的规定3，但应指出的是表中安全系数Kc偏大的因素重要是左、右半拱采用了较小的中心角，同步拱端嵌固较深，运用岩体的体积较大，因此，为保证拱座岩体的抗

12、滑稳定安全，对一定范畴内拱座岩体进行保护解决是必要的。施工过程中，采用喷锚和护坡结合的方式对坝肩岩体进行了保护。2.3 坝体构造和施工控制2.3.1 拱坝坝体构造为便于坝体砌筑施工、浆砌石拱坝构造布置在满足强度和稳定规定的基本上尽量化。根据国内类似规模浆砌石坝的施工和运营经验46，某水电站浆砌石拱坝不设防渗墙，坝体防渗重要靠自身砌筑材料和施工工艺、质量来保证，上、下游坝面采用厚约50cm的M10浆砌粗料石，并随着坝体砌筑上升的同步在上游坝面喷68CM厚砼作为坝面保护层，坝身采用C15细石砼砌块石。浆砌石拱坝不设纵、横缝，砌筑时分层从两岸向拱冠砌筑，层层封拱，整体上升，上、下两砌筑层之间封拱位置

13、错开34m。2.3.2 坝体施工控制1）施工工艺文献7对浆砌石坝砌筑工艺作了一般规定，针对某水电站浆砌石拱坝的防渗特性和浆砌块石材料自身具有平缝抗压强度较齿缝高而抗剪强度较齿缝低的特点，在拟定拱坝坝体砌筑措施时，设计上规定坝身砌筑的施工工艺为：块石必须沿拱坝半径方安放，竖向砌筑（块石的大面立起使之与坝轴线垂直），浆（砼）缝采用机械振捣并辅以人工敲击、钎插使之密实。为保证浆砌石坝体的防渗性能，坝体施工时，砌筑体每上升35m，必须进行钻孔进行压水实验检查胶凝材料的密实性及坝体的渗入性。规定坝体的透水率q3Lu，对q3Lu的砌筑块，采用灌注水泥浆的补强措施进心进行解决。2）温度控制浆砌石坝体胶凝材料

14、相对较少，单位体积水泥用量较砼坝低6070%，同步浆砌石材料自身具有砼放热块石吸热的热平衡特性，因此，浆砌石拱坝施工时的温度控制仅对上坝材料的温度和砌筑时段的气温作为限制，某水电站浆砌石拱坝坝体砌筑拟定的温度控制措施为：a、本工程建设区年平均气温15.4，对施工时气温在515的时段，可不采用其她温控措施；b、对于日平均气温低于5的时段停止砌筑并对原有砌体采用薄膜、泡沫板、草袋等材料覆盖以保温防冻；c、对日平均气温在15.430的时段，对块石和石子持续进行冷水浇淋，对砂采用凉棚遮盖并向棚内喷水，冷却用水可直接采用芭蕉河河水，其水温一般不超过15；d、对日平均气温超过30的时段，停止砌筑并对原有砌

15、体采用遮盖、洒水等降温措施。3、泄水建筑物设计3.1 泄水建筑物型式布置方案某水电站坝址河谷狭窄，两岸岸坡陡峻，地形条件限制不适宜布置岸边溢洪道；同步洪峰洪量达2408m3/s(P=0.2%)，若采用隧洞泄洪无疑隧洞断面大，增长工程投资。设计时考虑采用坝体泄洪的方式。1）由于拱坝厚度较薄，不也许采用高大闸孔，只宜采用多孔小闸孔的型式，文献4第5.1.4条，“当由坝体泄洪时，宜先考虑表孔泄洪”。根据坝址处河谷地形，泄洪表孔布置在河床中部坝段上，以拱坝基准面为中心，在坝顶布置5孔泄洪表孔，溢流堰堰顶高程538.5m，单孔净宽7.2m。2）为便于水库分级放空和进水口检修以及辅助泄洪、施工期后期导流的

16、需要，在右半拱接近七眼泉公路部位设立泄洪中孔，中孔孔口尺寸34.0m，进口底部高程514.5m。3.2 泄洪建筑构造型式3.2.1 泄洪表孔泄洪表孔单孔孔口尺寸7.29.0m，堰顶高程538.5m，采用开敞式的实用堰，溢流面WES曲线方程y=x1.85/7.5，曲线在切点C（3.9916,1.72641）下游分别与半径R=5.0m的圆弧和坡度为10.8的直线相衔接，形成差动齿坎。溢流堰堰面头部为椭圆曲线，堰头悬出上游堰面顶点1.425m，溢流曲线水平投影长度10.754m。堰顶设7.25.0m的平均钢闸门作为工作门，考虑到表孔每年均有超过2个月的时间其上游水位低于堰顶高程538.5m，因此工作

17、门有足够的检修和维护时间，不必再设检修门，工作闸门采用卷扬启闭机控制，见图3。图3.溢流表孔剖面图坝址河谷狭窄，坝体渲泄设计洪水时相应下游河床宽度仅35m，按消能防冲的设计原则，虽然渲泄洪水时启动5个表孔不致冲刷岸坡，但若采用一般挑流消能工，水舌在抛射过程中所消耗的能量不超过10%，大部分能量要在下游河床磨损中消杀，势必引起河床冲坑增大，且由于消能水体的旋辊和拱坝泄洪时水流径向集中，水流仍不能安全归槽，因此，如何使水舌顺利归槽和减轻下流冲刷以保证大坝安全和节省投资是选择消能工型式的重要课题。有关资料8和模型实验9表白，大差动齿坎挑流消能工是拱坝在狭窄河谷处一种新型有效的消能方式。大差动齿坎挑流

18、消能工具有下列长处：1）泄洪消能效果良好，由于齿槽对泄洪和消能具有双重作用，较一般挑坎的泄流量增长，下游河床冲刷改善，流态均匀，水舌归槽良好；2）沿河流方向纵向拉开入水长度，减少了水舌入水时的单宽流量，减轻了下游冲刷；3）齿槽上动水压力分布良好，无过大负压及异常。鉴于以上三点，本工程采用大差齿坎挑流消能工，并根据模型实验成果，拟定消能工有关参数。其体型是从溢流面WES曲线与反弧曲线的切点C开始，向下游挖一深槽，槽底为始终线，此直线为WES曲线与反弧曲线在C点处的公切线，槽底出射角-3842 34，导致通过鼻坎处出射角的大幅度差动，即最大挑角132553，最小挑角-384234，形成齿坎，这样可

19、有效地将水舌的入水点纵向分散，水舌沿河流方向纵向拉开，减少入水水舌的单位面积能量，达到减轻下游冲刷和促使水流归槽的目的，大齿动齿坎挑流消能工的体型参数如下：齿宽：W=2.02m槽宽：S=2.0m齿槽比：W/S=1.01高坎挑角：=132553低坎挑角：=-384234高坎高程：535.623m低坎高程：532.5m齿坎高度：T=3.123m3.2.2 泄洪中孔泄洪中孔布置在右半拱，采用压力短管型式，有压段长度14.5m，纵坡12.8出口断面尺寸34.0m，进口突出坡面2.0m，底槛高程514.5m，进口顶缘曲线为圆弧，有压段进口设检修门槽，出口处设弧形工作门，弧门半径Rj=7.5m，支铰中心高

20、程514.5m，工作门由卷扬启闭机操作，平均检修门在坝顶设卷扬机启闭机操作。泄槽长度13m，纵坡12.8，为便于下游消能，中孔的消能型式采用窄缝式挑流消能，按模型实验建议的体型，泄槽在离出口5.69m处开始急剧收缩，断面由底宽由3.0m的矩形渐变为底宽0.6m顶宽1.4m的梯形窄缝，形成收缩式挑坎，窄缝收缩式挑坎挑角为0见图4。图4.中孔剖面图3.3 泄流能力3.3.1 表孔泄流能力表孔的泄流能力按自由堰流的计算公式Qb=mnb(2g)1/2Ho3/2校核洪水位547.38m时，表孔全开提拱下泄流量2661m3/s，单宽流量q=73.9m3/s.m；设计洪水位545.4m时，表孔全开提供下泄流

21、量1821.4m3/s，单宽流量q=37.9m3/s.m。模型实验资料表白9，采用大差动齿坎，表孔流量系数（计入侧收缩影响）可达0.4849，下泄流量较一般自曲堰流公式计算值将有提高，设计拟定的表孔溢洪道尺寸能满足渲泄洪水的规定。3.3.2 中孔泄流能力中孔底部高程514.5m，泄洪流态为孔流，其泄流能力按哈氏公式计算：Qk=bhk2g(H-hk)1/2实验表白=0.85，由此计算，库水位547.38m时，中孔提供下泄流量222.5m3/s，孔口流速18.5m3/s；库水位545.4m时，中孔提供下泄流量214.3m3/s,孔口流速17.8m3/s。3.4 水工模型实验及运营状况某电站为等中型

22、工程,泄洪建筑物最大泄量2661m3/s,单宽流量73.9m3/s.m，泄洪单宽流量较大，泄水建筑物水力条件复杂，设计时进行水工模型实验，模型实验由武汉水利电力大学水力发电工程系承当。通过模型实验得到如下结论9：1）表孔体型合理，各项指标均能满足规范规定；2）泄水建筑物的联合泄流能力满足设计规定；3）实验对中孔出口窄缝进行多方案体型研究后，建议采用推荐体形。4）坝下冲刷不会危及大坝安全。实际运营表白，表孔、中孔的泄流能力，水流流态，下游冲刷均与设计及模型实验一致。4、结语某水电站浆砌石拱坝设计在拱坝布置、坝体材料、施工工艺等方面作了某些摸索，简化了坝体施工和减少了工程量；在狭窄河谷采用表孔大差动齿坎挑流、中孔窄缝挑流的消能型式，较好的解决了消能防冲问题，减少了下游防护的投资,可作为类似工程设计上借鉴。