關(guān)于水庫擋水壩設(shè)計初步分析

劉 陽

(遼寧江河水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，沈陽110003)

觀音閣水庫位于太子河流域干流上，距本溪市上游40 km，控制流域面積2 795 km2，總庫容21.68 億m3，觀音閣水庫與相距70 km的下游參窩水庫形成太子河干流梯級開發(fā)。

1 工程設(shè)計概述

1.1 平面布置

觀音閣水庫大壩的軸線僅次于觀音閣壩段中部，其河谷部分寬度為540 m，成倒T 形，河床高程為194.0 m，河灘高程197.0 ～199.0 m。左岸為陡峻的高山，分水嶺高程在600 m以上。山坡的最陡處在60°以上。右岸地形低緩，且不完整。壩軸線所處山脊比較單薄。其上、下游及北端均為河谷［1］。

河床的壩基地層有寒武系，中統(tǒng)的張夏灰?guī)r及崮山組的灰?guī)r互層組所構(gòu)成。為盡可能的利用鳳山組10 m頁巖做防滲帷幕的相對隔水層，以及右岸地形條件所決定觀音閣大壩的軸線布置成折線型式，即壩軸線在右岸42#、43#壩段的接縫處折向上游，具體布置如下:左岸及河床部分由左端控制點“壩左2”和右端的控制點“壩右1”兩個點控制點和“壩右3”兩點控制，其方向為NE54°51′35.4″。左岸控制點“壩左2”做為大壩樁號持起算點，樁號由左向右遞增計算。沿北壩線布置大壩，壩址大部分座落在張夏灰?guī)r上，壩踵部分座落在崮山灰?guī)r、頁巖互層組上，帷幕灌漿除在右岸有240 m一段為懸掛式外，其余部分帷幕部均與鳳山組10 m頁巖相連接。攔河壩由擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、電站段所組成。壩頂全程1 040 m，共分65 個壩段，除7#、9#壩段分別為13 m和19 m外，其余63 個壩段均為16 m。在各個建筑物的布置上考慮到河床較寬，布置上受地質(zhì)條件限制，溢流壩布置在河床中部，水流條件較好，并可避免挑流消能對F8 斷層沖刷，有利于壩基安全。底孔壩段和電站壩段均設(shè)檢修門，對外公路、輸電線路均設(shè)在左岸，將底孔壩段、電站壩段布置在左岸，交通、電站出線都比較方便，如果放在右岸進廠交通較難解決，且有大量開挖山巖問題。因此，將底孔、電站壩段布置在左岸。為避免放水底孔在泄水時，對電廠尾水渠影響，將9#壩擴寬成19 m，增加了底孔壩段和電站壩段之間的長度。電站壩段布置在靠近左岸山腳，有利于進場公路的回車和電站布置，同時尾水可以通過單獨布置的渠道送入太子河，一般情況下，電站發(fā)電可以避免底孔泄流的影響［2］。

1.2 基礎(chǔ)開挖及處理

根據(jù)地形地質(zhì)條件及建筑物布置要求，壩基開挖高程按地質(zhì)巖面風化深度分界，左岸及河床0+216.79 ～0+888.79 壩基座落在微風化頂面線下1.0米，右岸0+888.79 ～1+256.79 由于壩高較低，且?guī)r石風化較深，壩基座落在弱風化頂面線3.0 m。壩基處永久坡上游1∶0.75，下游1∶0.5，臨時開挖高度范圍內(nèi)段隔15 m設(shè)置2.0 m馬道，復(fù)蓋開挖坡與河床部分按機械推土為1∶3.0，右岸人工開挖為1∶1.5。

開挖后，河床部分的大壩基礎(chǔ)高程在184.0 ～+188.0，開挖深度8 ～17 m，壩址在190 ～200 m高程比較集中的巖溶大部分可以挖除，在建基在上暴露的巖溶也有工程措施進行處理，因而可保證壩基完整性和可靠性。F8 斷層部位，因構(gòu)造作用影響，需局部加深開挖，特別是在帷幕線部位，開挖深度達160 m高程。

2 擋水壩設(shè)計

2.1 剖面擬定

根據(jù)水電部對可行性研究報告審查意見，同意基本壩型為混凝土混凝土，在此基礎(chǔ)上，從地形、地質(zhì)、工程布置、氣象、施工條件等多方面分析研究，適合于觀音閣水庫壩址實際情況的只有重力壩和寬縫重力壩兩種，可作進一步分析比較，經(jīng)過對經(jīng)濟技術(shù)比較后兩種壩型對比結(jié)果如下:

1)在穩(wěn)定、應(yīng)力相同水平的情況下，混凝土的用量相差不大。

2)由于寬縫重力壩結(jié)構(gòu)上的特點，在北方從溫度應(yīng)力的角度分析，寬縫重力壩是不利的壩型。一旦發(fā)生表面裂縫，在以后的冷卻過程中，屢遭氣溫驟降的沖擊時，表面裂縫發(fā)展為貫穿裂縫的機率較大。

3)實體重力壩結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，抗震性能好，在裂縫問題上也較寬縫重力壩優(yōu)勢。

4)寬縫重力壩在施工中有諸多不便，不但增加了寬縫部位的模板用量和寬縫倒坡部位立模的復(fù)雜性，而且也給分期導(dǎo)流帶來不便。

綜上所述三方面考慮，壩型選為實體重力壩，采用日本碾壓混凝土RCD 筑壩技術(shù)最大高處的擋水壩段為例。基本剖面為三角形，其頂點高程與上游最高庫水齊平，本工程最高水位為265.7 m，壩基開挖后最低處高程為185 m，則最大壩高為82 m。根據(jù)作用在壩體上的全部荷載及其運用條件，對基本剖面進行修正，成為實用剖面。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》得，實體重力壩上游壩坡n=1:(0 ～0.2)，本工程采用n =1∶0.15，下游壩坡m =1:(0.6 ～0.75)，本工程取冊m=1∶0.74。

為了有效利用水重和壩體自重增加壩體穩(wěn)定，上游設(shè)置折坡，折坡點按《規(guī)范》為(1/3 ～2/3)的壩高，即在27.3 ～54.6 m，這里取35 m，這樣折坡點的高程為230 m。為節(jié)省工程量，下游按壩頂寬度向下和壩坡交得下游折坡點，經(jīng)過計算得為253.6 m，為施工控制方便，取254 m高程處為下游折坡點。

2.2 荷載計算

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》補充規(guī)定，對于防洪為主的水庫，其正常蓄水位很低者，可以按50 ～100 a一遇的洪水位時的荷載作為基本組合。但考慮本水庫為大(1)型水庫，大壩屬一等工程，I 級建筑物，下游有重要的工業(yè)城市，故采用設(shè)計洪水位時的荷載為基本組合。荷載組合按基本組合考慮，主要有:壩體自重，靜水壓力，揚壓力，浪壓力，泥沙壓力，冰壓力(按正常蓄水位時計算)，動水壓力(本設(shè)計不考慮)，土壓力(由于本工程壩體外沒有填土石，故不予考慮)等。特殊組合考慮荷載:校核洪水位時的壩體自重，靜水壓力，揚壓力，泥沙壓力，浪壓力等和正常蓄水位時的正常荷載加上地震荷載兩種。計算成果見壩體抗滑穩(wěn)定計算表(1)～(5)，其中揚壓力按《規(guī)范》規(guī)定其折減設(shè)在排水管處，折減系數(shù)α =0.3。具體擋水壩壩段剖面見荷載計算簡圖。

2.3 抗滑穩(wěn)定計算

2.3.1 大壩斷面所采用的基本資料

1)建筑物等級:I 等工程I 級建筑物。

2)設(shè)計防震裂度:Ⅶ度。

3)壩頂高程267 m壩頂寬度10 m。

4)控制水位:萬年洪水位265.7 m，千年洪水位263.9 m，百 年 洪 水 位262.8 m，正 常 高 蓄 水位255.2 m。

5)f=0.964，f=0.75，c2=7.394 MPa，混凝土容重24 kN/m3，水容重為10 kN/m3。

6)泥沙淤積高程207.7m，泥沙飽和容重20.2 kN/m3，泥沙內(nèi)摩角為18°。

7)揚壓力折減系數(shù)α=0.3，計算建基面高程為185m，基本三角形頂點:265.7 m。

8)根據(jù)實 驗得出f =0.75，f′ =0.964，c′ =7.394，f 為摩擦系數(shù)，f′為抗剪斷摩擦系數(shù)，c′為壩體混凝土與壩基接觸面的凝聚力。

2.3.2 穩(wěn)定計算

計算公式:

式中:kc為抗滑穩(wěn)定系數(shù);k′c 為按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定系數(shù);W 為作用在壩體上不包括揚壓力鉛直荷載的總和，向下為正，向上為負;U 為作用于壩體上的揚壓力;P 為作用在壩體上的水平荷載，向上為正，向下為負。

2.4 應(yīng)力計算

重力壩應(yīng)分析，是驗算所擬定壩體斷面是事安全合理的主要條件之一，并為確定壩內(nèi)材料分區(qū)，某些部位配筋等項目提供主要依據(jù)。重力壩的應(yīng)力分析按照規(guī)范要求，由于本水庫大壩為高壩，應(yīng)用彈性力學(xué)進行計算，由于時間緊迫，故采用材料力學(xué)法計算。

2.4.1 材料力學(xué)法計算的重力壩應(yīng)力控制標準

根據(jù)我國《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:

2.4.1.1 壩基面垂直正應(yīng)力的控制標準

運用期在除地震荷載情況外的各種荷載組合情況下，在計入揚壓力時，壩基面最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于零，最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基的允許壓應(yīng)力;施工期下游壩基面的垂直正應(yīng)力可以有≤0.1 MPa的拉應(yīng)力。

上述壩基面的容許壓應(yīng)力根據(jù)巖石的抗壓強度乘安全系數(shù)，安全系數(shù)結(jié)合巖基的節(jié)理裂隙情況而定:強度較高的巖基其安全系數(shù)為20 ～25，中等強度的巖基為10 ～20，強度較低和半巖基采用5 ～10。根據(jù)觀音閣水庫的地質(zhì)條件，為中等強度的巖基，容許壓應(yīng)力為3 000 MPa。

2.4.1.2 壩體應(yīng)力要求

1)運用期壩體上游面的最小主應(yīng)力，當計入揚壓力時，要求σ ≥(0.25 ～0.40)γH，γ 為水庫容重，這時取10 kN/m3，H 為壩面設(shè)計點的靜水頭。由于本水庫有可靠的防滲帷幕和排水管，這里取較小值σ ≥0.25γH。

2)壩體內(nèi)不準出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3)壩體最大主應(yīng)力不混凝土的容許壓應(yīng)力。容許壓應(yīng)力根據(jù)混凝土的極限強度及相應(yīng)的安全系數(shù)來確定，這里取安全系數(shù)為4，地震時增加30%。

4)施工期間除壩的主壓應(yīng)力不大于容許壓應(yīng)力，可容許在壩的下游面產(chǎn)生≤0 MPa的主拉壓應(yīng)力。

5)按計入揚壓力和不計入揚力兩種情況進行計算。

a)不計入揚壓力情況的垂直正應(yīng)力計算公式:

b)不計入揚壓力情況水平截面上剪應(yīng)力:

τu=(p-σyU)n，τd=(σyd-p′)m，其中p 和p′分別為上、下游壩面的水壓力強度;n 和m 分別為上、下游壩面坡率。

c)不計入揚壓力水平正應(yīng)力為σxu=p-(pσyu)n2，σxd=p′+(σyd-p′)m2

d)不計入揚壓力情況主應(yīng)力計算公式:

e)計入揚壓力情況垂直正應(yīng)力計算公式:

f)計入揚壓力情況以τu和τd分別為上、下游壩面的剪應(yīng)力值:

其中n 和m 分別為為上、下游壩面坡率。

g)計入揚壓力情況水平正應(yīng)力σxu=σyun2，σxd=σydm2。

h)計入揚壓力情況主應(yīng)力計算公式:

i)壩內(nèi)應(yīng)力計算，距下游面x 處的垂直正應(yīng)力

j)距下游面x 處的剪應(yīng)力:

k)距下游面x 處的水平正應(yīng)力:

l)距下游面x 處的主應(yīng)力:

計算結(jié)果說明擋水壩段所設(shè)計的斷面符合《規(guī)劃》規(guī)定的應(yīng)力條件要求，壩段具體計算見計算表。

3 細部構(gòu)造及廊道配筋計算

3.1 壩頂高程的確定

本工程攔河壩屬于I 級建筑物，確定規(guī)模時按千年一遇洪水設(shè)計，萬年一遇洪水校核，按《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》要求，結(jié)合工程布置情況，壩頂高程應(yīng)不低于水庫靜水位和浪高再加安全超高。

式中:h設(shè)(校)為洪水位(設(shè)計洪水位為263.9 m，校核洪水位為265.7 m);為浪高。

表1 壩頂高程計算表

根據(jù)計算結(jié)果，取設(shè)計情況和校核情況下的壩頂高程的最大值且取整，最終壩頂高程為267 m。

3.2 壩頂寬度確定

壩頂寬度應(yīng)滿足交通和水庫大壩壩高，壩體設(shè)三層廊道，為了帷幕灌漿要求有一定的蓋板的重量，第一層廊道底高程設(shè)在192 m高程，廓道上游側(cè)至上游壩面的最小距離為該處水頭的0.07 ～0.1 倍，(0.07－0.1)×(265.7 ～192)=5.16 ～7.37 m，這里取7 m。廓道呈城門洞形，寬為3 m，高3.5 m，頂部為半徑1.5 m的半圓，下部為矩形。廓道上游側(cè)設(shè)灌漿孔，進行帷幕灌漿;距廓道下游側(cè)20CM 處設(shè)排水孔。廓道形心高程為193.5 m，計算出此截面的應(yīng)力，以此來進行配筋。

［1］高玉桓.葠窩水庫溢流壩面加固技術(shù)［J］.吉林水利，2009(08):63－65.

［2］馮國治.淺析葠窩水庫安全加固措施［J］.水利水電技術(shù)，1993(04):41－43