摘要：因壩址處河谷較寬，壩頂軸線弧線較長，是目前國內(nèi)弧高比最大的碾壓混凝土拱壩。其兩岸山體地形不對稱，且受工程調(diào)度運用方式特殊性的影響，對大壩體形設(shè)計提出了較高的要求。文章介紹了某水電站碾壓混凝土大壩的設(shè)計思路和一些特點，為壩高突破的碾壓混凝土拱壩的設(shè)計施工提供一定參考。

　　關(guān)鍵詞：水電工程師評職范文,水電站,碾壓混凝土,大壩設(shè)計

　　1、工程概況

　　某水電站壩址河床為薄層石灰?guī)r,巖石破碎,巖石中有軟弱頁巖夾層, 對壩的抗滑穩(wěn)定及變形極為不利,兩岸山體有數(shù)條溶洞,如建127m高拱壩,水庫防滲堵漏、壩基處理難度和建設(shè)的風(fēng)險都很大,因此,在重新論證該電站建設(shè)規(guī)模時,把水庫正常蓄水位從335m降為282m,壩高由原來127m降為78.5m,電站裝機容量由160MW變?yōu)?0MW,年發(fā)電量由5.41×108kW·h 變?yōu)?. 97×108 kW·h。壩址以上流域面積4630km2, 多年平均流量109 m3/s, 水庫正常蓄水位282.00m,水庫總庫容0.49億m3。攔河大壩為碾壓混凝土單曲拱壩,加上墊層的高度,最大壩高為78.5m,壩頂高程288.50m,壩頂弧長212.60m,壩頂通車寬度6.0m,壩底厚21.2 m, 拱壩厚高比0.27。泄洪建筑物布置在壩頂?shù)闹胁?采用5個溢流表孔,閘門用液壓啟閉機啟閉�？坑野秹紊碓O(shè)置1個水庫放空底孔及預(yù)留一個灌溉孔。采用挑流加“三坎式水墊塘”的消能方式。

　　2、體形設(shè)計與優(yōu)化

　　根據(jù)不對稱寬河谷地形條件下建拱壩的設(shè)計理念，單曲重力拱壩的拱端推力及拱端變位均小于雙曲拱壩。因此，首先考慮采用單曲重力拱壩形式，但壩踵處的拉應(yīng)力不易滿足規(guī)范要求;之后采取雙曲拱壩體形設(shè)計進行對比，應(yīng)力得到了很大程度的改善，且體形優(yōu)化調(diào)整的效果好，自由度大。當(dāng)單曲拱壩和雙曲拱壩的體形均調(diào)整至壩體應(yīng)力小于規(guī)范允許應(yīng)力時，單曲拱壩低水位的拉應(yīng)力范圍較大，壩體工程量較多。從施工條件上比較，單曲拱壩高峰強度較大，資源投入亦較大;從工程投資上看，單曲拱壩比雙曲拱壩增加約13%。故，最終確定選用碾壓混凝土雙曲拱壩。經(jīng)多次優(yōu)化總結(jié)，寬谷拱壩特別需要拱圈剛度，又考慮到兩岸不對稱的地形特點，技施階段對雙曲拱壩體形又進行了優(yōu)化和調(diào)整，將中間層拱冠厚度減小，適當(dāng)增加拱端厚度，將拱冠梁適當(dāng)前移，并采用分層擬合的三次拋物線作為曲率半徑方程，減小壩體底部拱的曲率半徑，增強拱作用，增大上部拱的曲率半徑，使拱壩壩體應(yīng)力和拱端推力方向更趨合理。從壩體應(yīng)力計算成果看，拉應(yīng)力分布范圍減小;特殊荷載組合時，壩體最大拉應(yīng)力下降了17%，工程量也略有減少。

　　3、大壩應(yīng)力分析

　　3.1拱壩的應(yīng)力分析

　　拱壩的應(yīng)力、應(yīng)變分析采用拱梁分載法進行,分析時將拱壩分為9拱17梁, 考慮拱梁分載及徑、切、扭三向調(diào)整。工況1的計算成果為:

　　(1) 壩體上游面: 主拉應(yīng)力主要分布在拱端,最大拉應(yīng)力為0.737MPa,出現(xiàn)在820m高程左拱端;主壓應(yīng)力以拱冠周圍為較大,其中以拱冠800m高程的4.727MPa為最大。

　　(2) 壩體下游面: 主拉應(yīng)力主要分布在拱冠周圍,最大為1.168MPa;主壓應(yīng)力以拱端周圍為最大,但最大主壓應(yīng)力5.117MPa出現(xiàn)在738.5m高程的拱冠。

　　(3) 拱壩最大徑向變位為3.02cm, 位于820m 高程。工況2的計算成果在本文中省略。計算成果表明, 在基本組合及特殊組合工況下,壩體的應(yīng)力及位移分布規(guī)律合理, 其最大值均在允許范圍內(nèi)。

　　3.2重力壩的應(yīng)力分析

　　左岸重力壩除自身作為擋水建筑物外,還要作為拱壩左拱端的基礎(chǔ), 故壩體承受的荷載有水荷載、揚壓力、自重和拱壩左拱端的推力。由于結(jié)構(gòu)受力的獨特性及材料力學(xué)法的局限性, 所以采用三維有限元來計算和分析其應(yīng)力狀態(tài), 計算范圍包括左岸重力壩及壩基巖體。從計算結(jié)果看: a.壓應(yīng)力較小(一般為0.5~2.1MPa),但下游面底部角點有2.40MPa的壓應(yīng)力,拱端的壓應(yīng)力達4.20MPa; b.重力壩中部873~ 850m 高程的下游面及沿岸坡周邊有0.7~1.2MPa的拉應(yīng)力, 而其余部位的拉應(yīng)力均較小。從應(yīng)力水平上看,拉應(yīng)力較低,滿足規(guī)范要求。

　　4、大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計

　　4.1防滲及排水

　　4.1.1 防滲

　　壩體防滲體采用二級防滲配碾壓混凝土，該種防滲方式施工方便，干擾少，施工質(zhì)量較易保證，是國家“八五”科技攻關(guān)項目最重要的研究成果之一。壩體防滲體頂部高程為3302.0m 采用厚度2.0m，向下逐步加寬，防滲體上游面鉛直為壩體上游面，下游面逐步加寬，在3157.00 m 高程寬度為12m。為了高壩的安全性，在死水位3235.00m 以下還采用LJP 型合成高分子防水涂料作為壩體輔助防滲措施。為壩基滲透穩(wěn)定，在拱壩基礎(chǔ)進行帷幕灌漿。在拱壩基礎(chǔ)3240.0m 高程以下高程防滲采用雙排孔灌漿帷幕，在河床中間段帷幕最大深度30m，左岸岸坡段帷幕最大深度80m，右岸岸坡段帷幕最大深度60m。帷幕灌漿孔排距1.5m，孔距2.0 m。在拱壩基礎(chǔ)3240.0 m 高程以上高程防滲采用單排孔灌漿帷幕，左、右岸岸坡段帷幕最大深度60m，灌漿孔孔距2.0m。帷幕灌漿可通過布置在3150.0 m，3195.0m，3240.0m 和3280.0m 高程4層的灌漿平洞和兩壩肩的灌漿平洞內(nèi)進行。

　　4.1.2排水

　　為及時降低壩體滲透壓力，排除滲透水流，在壩體內(nèi)設(shè)排水系統(tǒng)。壩體排水管設(shè)在二級防滲配碾壓混凝土后，設(shè)計采用無砂混凝土排水管。排水管將壩體排水匯集到基礎(chǔ)灌漿及排水廊道的集水井內(nèi)，用水泵將集水抽排到壩體外。為減小壩基揚壓力，提高壩基穩(wěn)定性，在灌漿帷幕后設(shè)置排水孔，排水孔孔距2.0m。在河床中間段排水孔最大孔深20m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深50m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深40 m。

　　4.2壩體結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)灌漿、大壩觀測、排水及交通需要，按照簡化壩體、集中布置的原則，分別在3150m3195m，3240m和3280m 高程布置4 層多功能水平廊道，在壩內(nèi)設(shè)置2.0m×2.0m 的方形交通豎井與各層水平廊道連同。水平廊道設(shè)置在二級配防滲碾壓混凝土后，在壩體內(nèi)3195m，3240m 和3280m 高程，其功能為觀測、排水及交通的洞段，其斷面為2.0m×2.5m，其與壩坡灌漿平洞相連接。3150m 高程和兼顧灌漿功能的洞段，其斷面為3.0m×3.5m。由于壩體較高，考慮在交通豎井內(nèi)設(shè)電梯1部，以方便交通。

　　4.3不良地質(zhì)條件處理

　　(1) 左岸重力壩基礎(chǔ): 原則上將壩基上的P2w1地層挖除,使重力壩置于弱風(fēng)化P1q+ m厚層灰?guī)r上;對穿過重力壩基礎(chǔ)的斷層破碎帶進行挖槽回填混凝土塞,并進行深孔固結(jié)灌漿處理。為提高建基面的抗滑穩(wěn)定安全度,在固結(jié)灌漿孔內(nèi)布置插筋, 并將插筋的外露部分與重力壩基礎(chǔ)墊層混凝土錨固。對于溶蝕帶部位要加深固結(jié)灌漿孔,先進行砂漿回填后再進行固結(jié)灌漿處理。為提高重力壩淺層抗滑穩(wěn)定的安全度,對靠近拱端位置也要布置鋼筋樁進行加固處理。

　　(2) 壩基建基面上開挖出現(xiàn)的斷層、溶洞和溶蝕帶,需作掏槽開挖并回填混凝土(塞),然后進行固結(jié)灌漿處理。對于斷層與防滲帷幕相交處,可加強帷幕灌漿和固結(jié)灌漿,必要時可局部加大混凝土塞的深度和加深固結(jié)灌漿的孔深。

　　(3) f3 斷層: 該斷層穿過右岸拱端,為了減小f3斷層對右拱端基礎(chǔ)壓縮變形的影響,在818m高程帷幕灌漿隧洞內(nèi)沿f3斷層在拱端70m范圍內(nèi)布置施工支洞, 沿斷層破碎帶上、下分別進行孔深約30m的深孔固結(jié)灌漿處理,以減小拱端推力作用對壩肩基礎(chǔ)的壓縮變形。

　　4.4溫控設(shè)計

　　根據(jù)壩址處的水文氣象條件和工程進度目標(biāo)的安排,碾壓混凝土設(shè)計安排在10月份至次年4月份期間施工,合理安排施工計劃與澆筑強度,加強養(yǎng)護。不需采取特殊溫控措施。

　　 5、溫控措施

　　(1) 采用中低熱水泥, 高摻粉煤灰(二級配摻55% ,三級配摻60%),盡可能地降低碾壓混凝土絕熱溫升。

　　(2) 采用水溫介于7~23e的右岸下游地下河水拌合混凝土。

　　(3) 已碾壓完成或暫停碾壓的壩體采用遮陽麻袋布及時覆蓋,并勤于噴水養(yǎng)護, 以免太陽暴曬,保持倉面濕潤。

　　(4) 壩體設(shè)計未布置有埋設(shè)冷卻水管和混凝土未摻有MgO。

　　6、結(jié)語

　　碾壓混凝土拱壩采用通倉澆筑薄層上升,與常態(tài)混凝土相比,在南方山區(qū)中小型大壩的溫控方面有簡單處置的適用優(yōu)勢,不用摻MgO,傳統(tǒng)的骨料風(fēng)冷或水冷和埋設(shè)冷卻水管均可取消,只需相應(yīng)做好大壩混凝土施工時段的合理安排,優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計和科學(xué)養(yǎng)護,能取消專門溫控設(shè)施。某水電站碾壓混凝土拱壩嘗試成功,豐富了碾壓混凝土拱壩在我國南方建壩實踐經(jīng)驗。