赫章縣河口水庫工程拱壩設計

明 亮

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

赫章縣河口水庫工程拱壩設計

明 亮

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

基于目前水庫工程中拱壩壩型在樞紐布置及工程投資經濟性方面具有較大優勢，且越來越多的項目會涉及拱壩方案，本工程通過實例對拱壩的設計內容及過程作了較為詳細的說明，為類似工程設計人員提供參考。結果表明，水庫工程拱壩設計人員要通過優化首部樞紐建筑物工程總體布置、壩體布置、大壩體型、溢洪道設計、材料及質量、壩體構造、誘導縫設置、固結灌漿,以及防滲帷幕處理效果來提高拱壩設計應用的科學合理性，以實現水庫工程大壩建設的可持續性使用目標。

拱壩設計；結構設計；溢洪道設計

1 工程概況

赫章縣河口水庫位于烏江一級支流六沖河的上游河段上。工程任務為城鄉和工業供水、灌溉及發電。工程樞紐主要由大壩樞紐工程、供水及灌區工程組成。水庫正常蓄水位為1663.5 m，對應庫容3287 萬m3；校核洪水位1666.26 m，總庫容3739 萬m3；工程等別為Ⅲ等，水庫規模為中型。壩后電站裝機容量7000 kW。

2 拱壩設計

2.1 首部樞紐建筑物工程總體布置

根據方案比選結果，壩型為碾壓混凝土雙曲拱壩。大壩樞紐由攔河大壩、壩頂溢洪表孔、沖砂底孔、引水隧洞及發電廠房等主要建筑物組成。其中，引水系統進水口布置在河道左岸，為岸邊井筒式有壓取水，由于取水口建筑物與大壩分開布置，本文對取水口設計不作論述。

2.2 壩體布置

大壩主體材料為C15三級配碾壓混凝土。大壩上游面設50 cm厚C20二級配變態混凝土。緊貼變態混凝土下游側設C20二級配碾壓混凝土，厚度按高度分三級，分別為1.5 m，3 m及4 m。大壩下游面為50 cm厚C15三級配變態混凝土。壩體設有兩層廊道，廊道底板高程分別為1630 m、1602 m，上層為排水廊道，下層為排水及灌漿廊道，廊道斷面尺寸(寬×高)2.5 m×3.0 m。壩基置于弱風化基巖中下部，建基面最低高程1585 m。

2.3 大壩體型

大壩為雙圓心圓弧拱壩，壩頂寬6 m，最大壩底寬20 m，壩頂弧長193.312 m。右岸頂拱半徑121.141 m，左岸頂拱半徑138.682 m。大壩體型主要幾何參數見表1和表2。

表1 拱壩體形特征參數表

續表1

表2 拱壩體形特征參數表

2.4 溢洪道設計

2.5 材料及質量要求

大壩主體材料采用90 d齡期三級配C15碾壓混凝土，抗滲標號W8，抗凍標號F50；大壩基礎設置1.0 m厚二級配C20常態混凝土墊層，抗滲標號W8, 抗凍標號F50。大壩上游面采用90 d齡期C20二級配變態混凝土，50 cm厚，抗滲標號W8,抗凍標號F100；緊貼上游變態混凝土下游側設C20二級配碾壓混凝土，厚度按高度分三級，分別為1.5 m，3.0 m及4.0 m，抗滲標號W8, 抗凍標號F50；大壩下游面為50 cm厚C15三級配變態混凝土，抗凍標號F50。壩體廊道采用C20常態混凝土，最小厚度40 cm。

2.6 壩體構造

2.6.1 壩體分縫

大壩壩身設6條橫縫，將壩體分為7個壩段，壩段長度17.2～28.8 m不等，橫縫上游設置兩道銅片止水，縫內安裝重復灌漿系統，下游設一道銅片止水。大壩澆筑完成后，壩體混凝土溫度達到封拱溫度后，對其進行接縫灌漿。

2.6.2 壩內廊道及交通

壩體設有兩層廊道，廊道底板高程分別為1630 m、1602 m，上層為排水廊道，下層為排水及灌漿廊道；廊道斷面尺寸(寬×高)2.5 m×3.0 m。上層廊道的上游壁離上游壩面的距離為4.1 m，下層廊道的上游壁離上游壩面的距離為4.9 m，均能滿足規范0.05～0.1倍壩面作用水頭，且不小于3.0 m的要求。

大壩交通可采用壩后梯步型式，通過壩后梯步連接壩頂至廊道及底孔出口啟閉機室。

2.6.3 壩體止水和排水

本工程壩體止水部位主要有壩體橫縫上游面、校核尾水位以下的橫縫下游面等部位。橫縫上游設置兩道銅片止水，縫內安裝重復灌漿系統，下游設一道銅片止水。大壩澆筑完成后，壩體混凝土溫度達到封拱溫度后，對其進行接縫灌漿。

廊道排水系統由排水管與各層廊道排水溝組成。上、下層廊道之間設有排水孔，排水孔直徑15 cm，孔距3.0 m。在防滲帷幕下游側，在下層廊道與大壩基礎之間也設有排水孔，排水孔直徑15 cm，孔距3.0 m。

上層排水廊道底板高程高于下游校核洪水位，可采用自流排水方式。下層排水廊道底板高程高于下游常年水位，但低于下游校核洪水位。因此，在大壩未泄洪時，下層廊道也可采用自流排水方式[1]。但在泄洪期間，需采用水泵抽排[2]。

2.7 控制措施

(1)拱壩分縫分塊澆筑，減小單塊體積，降低壩體溫升。本大壩共設6條橫縫，不設縱縫，將壩體分為7塊進行澆筑，各壩塊在澆筑時均勻上升，相鄰塊高差≤12 m，相鄰塊澆筑時間間隔≤30 h。

(2)封拱溫度(封拱時日平均溫度)控制在年平均氣溫以下，但≥5 ℃，本地區多年平均氣溫13.3 ℃，綜合考慮取封拱平均溫度為13.3 ℃。

(3)水泥需采用低熱水泥，在不影響混凝土強度和耐久性的前提下，應使用外加劑以及改善混凝土級配、加摻合料等綜合措施降低水泥用量，減少發熱量。控制混凝土水灰比≤0.5。

(4)對于本工程，溫控措施主要是采用一些易行的方法，主要為埋設冷卻水管結合倉面噴霧，錯開高溫時段，砂石骨料防曬措施。通水時壩體混凝土溫度與冷卻水之間的溫差≤25 ℃，壩體降溫速度每天≤1 ℃。

(5)對壩面、層面、側面進行保溫和保濕養護。大壩施工在低溫季節，當氣溫<5 ℃時，要對已建壩段進行保護。防護方法主要是覆蓋草墊或麻袋[3]。

2.8 誘導縫設置

為了防止產生溫度裂縫，國內外普遍在碾壓混凝土壩中采用了誘導縫這種分縫形式，即在壩內可能產生裂縫的橫截面預先設置人工縫，人為地在壩體內構造薄弱面。當壩體溫度全面下降時，誘導縫所處的薄弱面能首先拉開，達到消散壩體應力、按預定要求引導溫度裂縫開裂、控制裂縫發展方向，以避免壩體產生無規則裂縫的目的。

根據相關文獻及工程經驗，設置的誘導縫能否充分發揮作用，一方面取決于誘導縫的開裂條件，另一方面取決于誘導縫所在壩面的應力應變狀態。由于誘導縫是靠自身受拉應力的放大先誘導壩體在縫處開裂，故誘導縫必須布置在壩體拉應力較大的部位，縫處的拉應力放大后應大于其相鄰壩塊內的任何拉應力值。誘導縫一般設置在拱端和拱冠附近拉應力較大的斷面，以便在壩體應力增大時首先張開，可充分發揮預期效果。

結合本工程應力分析結果，壩體應力在兩岸拱座部位最大，為保證誘導縫能在壩體開裂之前開裂，應將誘導縫設置在應力大的區域，即本壩的拱端。若遠離高拉應力區，則誘導縫有可能無法拉開，而導致壩體的無序開裂。

2.9 固結灌漿

左、右壩肩均為斜向坡，卸荷均有一定的深度，對兩壩肩及壩基都應做固結灌漿處理，而對于局部破碎巖體及溶蝕風化囊等應加密固結灌漿[4]。

大壩基礎開挖過程中，爆破震動可能使巖體松動，從而降低其承載力。為保證壩基巖體的完整性，須對全壩基作固結灌漿處理，固結灌漿孔間、排距均為3.0 m，深度為6.0 m，梅花型布置,灌漿壓力0.3～0.6 MPa。

2.10 防滲帷幕處理

水庫滲漏主要為壩基滲漏及庫首繞滲，需作防滲處理，擬采用帷幕灌漿進行防滲處理。防滲帷幕線路的選擇原則為：兩壩肩至河床一帶沿軸線布置，由于巖層傾向下游，傾角60°～70°，越往遠端，兩岸T1yn2相對隔水層在地表分布高程越高，防滲路線宜布置自壩端起向上游反接。由于在大壩上游約70～150 m的地方分布著三迭系永寧鎮組第二段(T1yn2)的地層，巖性為泥頁巖夾泥灰巖及砂巖，可作為相對隔水層利用。因此，兩岸防滲端頭考慮接T1yn2的泥頁巖并伸入10 m作為防滲端頭。壩區水文地質情況說明：河流為補給型，無大的巖溶管道滲漏，滲漏形式主要表現為裂隙性滲漏及局部裂隙性風化深槽滲漏。根據河床鉆孔揭露，在孔深44 m(高程1558.2 m)以下分布為三迭系永寧鎮組第二段(T1yn2)的地層，巖性為泥頁巖夾泥灰巖及砂巖。因此，河床部分考慮接T1yn2的泥頁巖并伸入10 m，同時按0.6倍壩高作為防滲底界，兩岸以從端點深入10 m作為防滲帷幕的底界。

3 結 論

本工程拱壩設計具有一定的代表性，對于較對稱“V”形河谷應盡量采用拱壩壩型。初步設計報告于2016年8月取得批復文件，專家認為本工程大壩設計是合理的，設計過程中考慮的因素也是合理的。

[1] 張建華，王棟． 洞河水庫拱壩體型設計及應力分析[J]． 陜西水利，2015(6)：155-157.

[2] 楊正兵． 觀音巖水庫碾壓混凝土雙曲拱壩優化設計研究[J]． 水利科技與經濟，2013(9)：25-27.

[3] 陳佐豪,苗杰. 拱壩壩肩抗滑巖體遭破壞后的抗滑穩定復核計算分析[J]. 陜西水利,2016(6):51-53.

[4] 楊正猛,廖聲海. 基于水庫攔蓄壩拱壩設計[J]. 黑龍江水利科技,2014(5):19-21.

明 亮(1978-)，男，黎族，貴州鎮寧人，高級工程師。主要從事水利水電設計方面的工作。E-mail:377301377@qq.com。

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