北疆山口電站常態混凝土拱壩體型的確定

□王慶勇（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局）

北疆山口電站常態混凝土拱壩體型的確定

□王慶勇（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局）

文章以新疆北疆山口電站為實例，結合該電站常態混凝土雙曲拱壩址的地形和地質條件，通過分析確定拱冠梁頂部、中部、底部的尺寸，壩肩拱端嵌深和倒懸度，以及拱圈線型選擇等問題，進行壩型設計及優化，并對高拱壩體形設計的設計思想、設計方法和設計原則等進行了闡述，最終確定該拱壩體型為雙曲拱壩，以期對類似工程有一定的參考和借鑒價值。

北疆山口水電站；雙曲拱壩；體形設計；優化設計

1　工程概況

北疆山口電站工程主要由常態混凝土雙曲拱壩、溢流表孔、放水深孔、發電引水系統、電站廠房幾部分組成。大壩最大壩高94.00 m，壩頂高程649.00 m，正常蓄水位646.00 m，總庫容2.22×108 m3，壩頂全長319.65 m，分為22個壩段，不設縱縫，采用深孔和溢流表孔的方式泄水。

2　拱壩體型設計

2.1拱壩建基條件

北疆山口電站工程河谷形狀為“V”字形，兩岸地形坡度50～60，正常蓄水位646 m時，河谷寬約278 m，天然河谷寬高比為2.96，壩址區出露地基巖體主要為中泥盆統阿爾泰組（D2a-2）厚層-巨厚層狀灰白色花崗片麻巖，微～新鮮巖體質量屬AⅡ類巖體，兩岸為（D2a-2）厚層-巨厚層狀灰白色花崗片麻巖和（D2a-3）薄層-中厚狀灰黑色黑云母斜長片麻巖，微風化～新鮮巖體質量屬AⅡ、BⅢ1類，新鮮巖石致密堅硬，壩區壩基范圍內斷層不發育，無制約性的斷層和節理，僅左岸發育一組斷續延伸的緩傾角裂隙，傾向下游偏向岸里，走向山內，左右岸壩肩不存在壩肩抗滑穩定邊界條件，壩基巖體無影響整體穩定的貫穿性結構面，具備修建中厚拱壩的地形、地質條件。

初步擬定拱壩體形為雙曲拱壩，水平拱圈型式采用單心等厚圓弧拱圈，因兩岸地形基本對稱而采用兩岸相同半徑的單心雙曲拱壩。

2.2拱壩設計原則

北疆山口電站工程拱壩體型設計主要考慮以下因素：

第一，結合壩址地形地質條件，在滿足壩體強度、應力要求的前提下，合理布置拱圈平面形狀與位置，使拱圈適當扁平化，盡量使拱端推力指向山體內部，改善壩肩穩定條件。

第二，拱壩壩身開孔，壩體厚度不宜太薄，應有足夠的剛度，以保證大壩整體穩定，同時有利于泄水的布置。

第三，提高壩體對基礎變形模量的適應能力。

第四，考慮施工，嚴格控制壩體倒懸度，不設施工縱縫。

3　壩頂高程確定

壩頂高程由水庫靜水位（正常蓄水位或校核洪水位）加安全超高△h比較確定，△h按下式計算并選其最大值：

波高、波長均采用《混凝土拱壩設計規范》SL282-2003（B.5）官廳水庫公式計算，公式適用于山區峽谷水庫，且υ＜20（m/s），D＜20（km）。

壩體建基面嵌深根據壩高和地質條件確定，不僅要滿足開挖到若風化下部下限的條件，同時還受兩岸壩肩穩定條件的控制。大壩主河床地基巖體主要為灰白色花崗片麻巖，微風化～新鮮巖體屬AII類巖體，綜合上述因素并結合本工程情況，根據規范的規定，經計算確定：壩頂高程為：649.00 m，基礎開挖高程為：555.00 m，最大壩高為：94.00 m

4　拱冠梁斷面的確定

4.1拱梁頂部寬度確定

拱冠梁壩頂寬度按下列經驗公式確定：

①《混凝土拱壩設計》和《水工設計手冊第5分冊混凝土壩》的建議經驗公式：

式中：TC、H、L為壩頂厚度、高度和壩頂弦長，均以m計。

②《水工建筑物》的建議公式：

式中：TC—拱冠梁的頂厚，m；ΦC—頂拱的半中心角，rad；rC—頂拱的中心線半徑，m；Rf—混凝土極限抗壓強度，C25混凝土極限抗壓強度Rf=2000 t/m2；E—混凝土彈模，C25混凝土E彈性模量E=2000000，t/m2。

4.2拱冠梁底部厚度確定

拱冠梁底部厚度，按下列經驗公式估算：

①《混凝土拱壩設計》和《水工設計手冊第5分冊混凝土壩》的建議經驗公式：

式中：TB—梁底寬度河谷平均開挖寬度（底部起算點可設在0.15H處），m；H—壩高，m；［ ］Б —混凝土容許壓應力，t/m2。

②美國肯務局建議公式：

式中：L1—壩頂處的河谷寬度，m；L2—壩底處的河谷寬度，m；H—壩高，m。

結合上述計算，同時考慮混凝土施工機具的運轉要求，以及運行期壩頂車輛的交通要求，擬定壩頂寬度為Tc=6.00 m，壩底寬度根據應力分析成果擬定為TB=25.00 m。

4.3拱冠梁中部0.45H（H為壩高）處的厚度（T0.45H）的確定

①《水工設計手冊第5分冊混凝土壩》和《水工建筑物》的建議公式：

②美國肯務局建議公式：

結合上述計算，拱冠梁中部厚度T0.45H=14.54 m。

5　壩肩拱端嵌深和倒懸度的確定

5.1拱端嵌深確定

北疆山口電站工程左右岸拱端嵌入深度遵循以下原則：壩肩巖體穩定；根據地質平切圖進行逐層拱圈的符合；盡量使每一層拱圈的拱端都座落在良好的灰白色花崗片麻巖上；由于拱壩布置的整體性，就會導致有些拱圈位置較好，有些拱圈可能已經由于嵌入太深而引起超挖，甚至有些拱圈會部分座落在灰黑色斜長片麻巖上；在避免其它拱圈超挖的前提下，盡量使各層拱圈，尤其是1/3以上壩高部位的各層拱圈均座落在良好的灰白色花崗片麻巖上；1/3壩高以下部位接近建基面，且拱端受力處沒有臨空面，拱端基座比較雄厚，因此對這些拱圈的位置要求相對低了點。

根據相關規范要求，結合各工況壩體應力和壩肩穩定的計算成果，確定各高程設計拱圈建基面利用巖體拱端嵌深分別為：555 m高程，左岸12 m，右岸7 m；567 m高程，左岸23.30 m；右岸14.80 m；579 m高程，左岸23.80 m；右岸19.70 m；592 m高程，左岸18.50 m；右岸18.70 m；605 m高程，左岸18.70 m；右岸17.90 m；620 m高程，左岸17.70 m；右岸16.10 m；635 m高程，左岸15.80 m；右岸13 m；649 m高程，左岸14 m；右岸12 m。

5.2倒懸度確定

混凝土拱壩倒懸度過大會增加施工難度，甚至無法施工；到倒懸度太小，體型難以調整，在相同應力標準下，小倒懸度比大倒懸度壩體混凝土方量要大，不經濟。根據自重拉應力一般不超高0.30～0.50 MPa，通過計算分析確定，壩面倒懸度不易超過0.30：1.00，拱冠梁最大倒懸度為0.10。

6　拱圈線型選擇

工程實踐中常用的拱型有圓形拱和非圓形拱兩類。圓形拱通常指單心拱、兩心圓拱，非圓形拱包括、三心圓拱、拋物線拱等。由于拱壩設計必須使得壩體應力和壩肩穩定兩個條件同時滿足要求，所以圓形拱和非圓形拱都必須較好的兼顧壩體應力和壩肩穩定這兩方面的要求。根據國內拱壩設計最新動態，結合本工程壩址地形地質條件，初步分析將擬定比較單心圓雙曲拱、橢圓曲線雙曲拱、拋物線曲線雙曲拱三種拱型，通過同等深度的比較后將推出最優曲線雙曲拱壩體型。

本階段只對單心雙曲拱壩的體型、斷面進行設計，同時對應力、壩肩穩定等進行了全面深入的分析。

7　拱冠梁斷面的確定及拱壩體型優化

根據河谷形態、壩址地形、地質條件、國內外相近工程實例和有關經驗公式初步擬定拱壩的拱冠體型。布置設計中盡量使拱壩軸線與基巖面等高線在拱端處的夾角≥30°，并使兩端夾角大致相近，拱冠梁的上游面倒懸度一般不超過0.30：1.00，同時各層拱圈圓心在豎直面上圓心線聯線應能形成光滑曲線，采用拱梁分載法對拱壩應力進行分析，并根據壩體應力狀況對初擬體型進行優化和調整，優化后得到拱壩壩體體型及參數見圖1和表1。

拱壩體型水平拱圈中心線采用拋物線線型。

圖1　優化后拱冠體形圖

表1　混凝土拱圈體型參數表

（責任編輯：左英勇）

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1673-8853（2016）07-0061-02

王慶勇，（1977-），男，工程師，主要從事水利水電工程安全監測工作。

2016-04-17