1、广西水利水电 GU A N G X I WA T E R R E S O U R C E S &H Y D R O P O WE R E N G I NE E R I N G 2 0 1 3 ( 3 ) 规划设计 克林水电站混凝土拱坝设计 刘范学 ( 玉林市水利电力科学研究院, 广西玉林5 3 7 0 0 0 ) 摘要】 结合克林水电站拱坝地形地质条件 , 从应力计算 、 传力墩设计等几方面介绍了拱坝设计的基本思路及设计 要点。 【 关键词】 拱坝 ; 传力墩; 应力计算; 位移; 稳定分析; 克林水电站 中图分类号】 T V3 1 4 文献标识码】 B 文章编号】 1 0 0 3 1 5 1
2、 0 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 3 3 0 3 1 概述 克林水电站工程坝址位于西林县那劳乡那劳 村那伏屯, 距西林县城5 8 k m, 座落在右江干流驮娘 江的一级支流克林河下游, 距克林河口2 0 5 k m 。是 一 座以发电为主, 兼顾防洪 、 灌溉的水利枢纽工 程。水库总库容1 3 6 5 万i n , 电站装机容量2 1 M W, 属 等工程。工程主要建筑物包括混凝土双曲拱坝、 压 力隧洞、 发电厂房、 变电站等, 于2 0 0 8 年5 月建成运行。 2 坝 址工程 地质 2 1 左 、 右岸及河床地质 坝址河谷横断面呈“ V ” 字型, 河床宽2 2 m, 坝顶
3、河谷宽 1 2 7 2 In 。河谷流向S E 1 1 5 。 。河床底高程 6 1 8 5 m, 左岸山顶高程为7 2 6 in , 自 然坡度4 0 。 一 5 0 。 ; 右岸山顶高程为7 8 5 m, 自然坡为3 3 。 一 5 0 。 。两岸地 形基本对称。开挖后基岩断面呈梯形。坝址地层 由三迭系中统百逢组( T 2 b f ) 、 第 四系组成。岩性以 砂岩、 泥岩 、 砂岩夹泥岩为主。 2 2 构造 坝址区主要为褶皱构造, 褶皱轴线大致与河谷 平行。河床坝中心处为一向斜核部 , 构成河谷两岸 岩层与地形一致, 左岸6 7 0 in 高程以上为一背斜; 右 岸6 5 0 m高程处为
4、一背斜, 6 8 0 in 高程处为一向斜。 左岸舒缓 , 右岸较紧密。坝区没有断层发育 , 但岩 石节理尤风化节理较发育, 构造裂隙有为上述的4 组。 2 3 软弱夹层及泥化夹层 已风化成白色, 虽是中厚层状, 但内部片理发育, 片 理间距2 1 0 c m, 顺层, 大部矿物已变成高岭土、 泥 质, 结构疏松, 可塑性强, 遇水崩解。类似的在左岸 有7 层, 厚度不等, 累计厚5 6 m 。 ( 2 ) 右岸。软弱夹层及泥化夹层共7 层, 总厚度 为0 7 7 m 。其中有3 层泥化夹层, 分别出露在6 5 0 n l 及6 5 8 in 高程处, 厚度均为5 c m, 为薄层泥岩上下层
5、面处发生泥化 0 5 1 5 c m, 往中间逐渐过渡到较新 鲜泥岩。 3 拱坝设计 3 1 特征水位及相应流量 根据水库 的调洪成果 , 水库 正常蓄水位为 6 6 6 O 0 m。设计洪水位为6 7 0 0 2 In , 相应下泄流量 为6 4 6 m 3 s 。校核洪水位为6 7 0 6 9 in , 相应下泄流量 为 8 3 1 m s 。 3 2 坝顶高程确定 根据 混凝土拱坝设计规范 ( S L 2 8 2 -2 0 0 3 ) 规 定 , 坝顶高程应不低于校核洪水位, 防浪墙顶高程 等于水库静 水位与超 高之和 , 按规 范相关公式 计 算, 计算结果见表 1 。 表1 防浪墙顶
6、高程计算成果表 m 计 算 工 况水 位波 浪 高 波 朝 2 库 校核洪水位 6 7 0 6 9 0 6 5 0 1 8 安全防浪墙顶 超高 高程 04 6 6 7 8l 0 3 6 71 8 2 本工程非溢流段坝顶高程定为6 7 1 5 1 m, 结合 ( 1 ) 左岸。6 5 0 m 平台处有软弱夹层, 厚1 1 0 c m, 栏杆设防浪墙 , 墙顶高程6 7 2 6 1 m 。 【 收稿日期】 2 0 1 3 - 0 4 - 0 3 作者简介】 刘范学( 1 9 7 8 一 ) , 男, 广西容县人, 玉林市水利电力科学研究院工程师, 学士, 主要从事水利水电工程科研设计及检测工作。
7、3 3 刘范学 : 克林水电站混凝土拱坝设计 3 3 拱坝布置及几何尺寸初定 根据拱坝断面尺寸拟定的一般原则, 初步拟定 坝顶厚4 0 m, 坝顶 中心角 。= 1 0 6 。 , 坝底中心角 2 = 5 1 2 。 , 坝底厚度 l 6 3 5 m, 坝顶下游面最大倒悬 度 0 2 3 4 , 坝底上游面最大倒悬度为第 6 层拱端 ( 6 2 6 1 4 m ) 倒悬度0 2 4 8 。拱坝平面及剖面图见图1 。 图 1 拱地平面及剖面图 3 4 荷载组合 按正常情况计算正常水位下的水压力+ 泥沙压 力+ 自重+ 温度下降+ 波浪压力; 校核情况计算校核 水位下的水压力+ 泥砂压力+ 自重+
8、 温升+ 波浪压力。 3 5 拱坝应力计算 ( 1 ) 左右岸基岩及坝体混凝土材料参数见表2 。 河谷底部基岩综合变形模量3 1 G p a , 泊松比0 2 9 ; 坝体 混 凝 土材 料 ( C 2 0 ) 变 形 模 量 ( 考 虑砼 徐 变 ) 2 0 G p a , 线胀 系数 0 0 0 0 0 1 。 C容重 2 3 5 k N m , 导 温系数 3 m 月 , 泊松 比0 1 7 。 ( 2 ) 计算工况。 基本组合 : 正常水位水压+ 泥沙压力+ 波浪压力+ 自 重+ 温降( 简称正常水位+ 温 降) ; 特殊组合 : 校核水位水压+ 泥沙压力+ 波浪 压力+ 自 重+ 温
9、升( 简称校核水位+ 温升) 。 ( 3 ) 拱坝应力计算成果。拱坝最大主应力计算 成果见表3 。 表2 基岩及坝体混凝土材料参数 表3 拱坝不同工况上、 下游面最大主应力 上 游 面 下 游 面 正 常 + 温 降 茬 ; R 6- 1 1 9c8R 校 核 + 温 升 鬈 ; F 注: 压应力为正, 拉应力为负。拱冠C R , 左坝端L F , 右坝端R T 。 ( 4 ) 应力计算成果分析。坝体砼强度等级采用 C 2 0 。计算结果表明, E 述计算最大压应力2 7 9 5 M P a , 小于砼容许压应力 压 = 2 0 4 = 5 0 MP a ( 即砼极限抗压 强度除以安全系数 k
10、 = 4 ) ; 最大拉应力为 1 1 9 8 MP a , 小于砼拱坝设计规范( S L 2 8 2 -2 0 0 3 ) 规定的允许拉 应力 1 2 M P a , 并且小于S L T 1 9 1 -9 6 ( 水工砼结构 设计规范 所列的C 2 0 砼抗拉强度标准值 1 5 M P a 。 应力条件满足规范要求。 3 6 坝肩稳定计算 3 6 1 坝肩岩土力学指标 根据岩石性状, 室内试验成果及现场超声测试 成果, 参考类似工程相关参数 , 坝区持力层岩石的 物理力学参数采用如下: ( 1 ) 弱风化砂岩。饱和密度2 6 8 g C c m , 干抗压 一 一 一 广西水利水电 G U
11、A N G X I WA T E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 3 ( 3 ) 强度7 5 M P a , 湿抗压强度6 0 M P a , 岩石抗剪断强度: , = 0 9 , C , _ 0 7 MP a ; 静 弹性模 量 6 5 G P a ; 岩石 与砼 的抗剪 断强度 : , = 0 8 , c , _ 0 6 M P a ; 允许 承载力 3 M P a , 岩石与砼抗剪摩擦系数 0 6 , 岩石与砼粘 聚力 C = 0 5 MP a 。 ( 2 ) 弱风化泥岩、 砂泥岩互层。
12、饱和密度2 6 g c m , 干抗 压强度 2 5 4 8 MP a , 湿抗压强度 1 6 MP a , 岩石抗 剪断强度 : C = o 7 , C , - O 4 M P a , 静弹性模量2 0 x 1 0 4 M P a ; 岩石与砼的抗剪断强度: , = 0 6 , C = 0 3 M P a ; 岩石与砼的摩擦系数0 5 , 岩石与砼粘聚力C = 0 3 M P a ; 允许承载力 2 MP a 。 3 6 2 坝肩稳定复核计算方法及公式 根据实际地基情况 , 本次复核坝肩稳定 , 采用 分层稳定法。按拱坝计算分层考虑 , 河床6 2 0 1 4 in 高程以上共分7 层, 每
13、层按侧斜滑面、 底平面切取抗 滑稳定岩体 , 岩体顶面按 自由岩处理 , 抗滑岩体平 面尺寸切取按岩层走向线、 底层高程相应强风化岩 面等高线形成的三角体量取。分别计算每层岩体 的抗滑稳定 。侧滑面取实际岩层的层 面 , 岩性有砂 岩、 泥岩、 泥化夹层、 裂隙破碎带等, 分别取其力学 指标进行计算。底部水平滑动面按分层层面切取, 岩性及力学指标按实际坝肩岩层构造取值。采用 抗剪断公式计算各分层的稳定系数, 公式如下: =f f 2 _ W - U ) +c A 式中 : K 数; 厂 、 c 滑动面的抗剪断强度指标; w作用在滑动面上的总法向力( 含岩体 自重及其上坝体砼在滑动面上产生 的法
14、向力 ) ; 卜作用在滑动面上的总切向力( 含岩体 自重及其上坝体砼在滑动面上产生 的切向力 ) ; ,_ 一 作用在滑动面上的扬压力, 考虑帷幕灌浆 及排水孔的作用, 扬压力折减系数D = 0 3 。 3 6 3 最危险层稳定计算 根据 以上分层方法计算得左坝肩 6 2 7 7 8 5 6 3 5 4 2 8 i n 高程为最危险层, 其抗滑稳定安全系数仅 为3 7 , 在这一层假设其滑动面滑出点至坝脚距离 为6 O , 5 O , 4 0 , 3 5 , 3 0 , 2 5 , 2 0 , 1 5 In , 分别计算其相应 的抗滑稳定安全系数, 寻求最危险滑动面 , 该滑动 面穿过各岩层,
15、 取其厂 , _ O 5 2 、 C, _ 0 3 4 M P a 。计算得 最危险滑动面为滑动面滑出点至坝脚距离2 5 3 0 in , 抗滑稳定安全系数最小, 校核水位+ 温升工况为3 8 ; 正常水位+ 温降工况最小为3 6 。 3 6 4 坝肩岩体抗滑稳定评价 ( 1 ) 左坝肩。正常荷载坝肩抗滑稳定安全系数 ,分层计算平均值为 l 0 4 , 最小值为3 6 ; 整体滑动 计算平均值为 1 4 0 , 最小值为5 8 ; 特殊荷载K值, 分 层计算平均值为7 2 , 最小值为3 6 ; 整体滑动计算平 均值为6 8 , 最小值为4 7 ; 均大于规范规定值正常荷 载阍= 3 , 特殊
16、荷载 = 2 5 。 ( 2 ) 右坝肩。正常荷载坝肩抗滑稳定安全系数 K , 分层计算平均值为 1 9 8 , 最小值为7 2 ; 整体滑动 计算平均值为3 3 3 , 最小值为 1 0 3 ; 特殊荷载 值 , 分层计算平均值为 l 7 5 , 最小值为6 5 ; 整体滑动计 算平均值为2 0 4 , 最小值为 8 7 ; 均大于规范规定值 正常荷载 = 3 , 特殊荷载阍 = 2 5 。 ( 3 ) 结论 。左 、 右坝肩抗滑稳定安全系数K值均 满足规范要求。这样的结果 , 主要是两岸山体雄厚 陡峭, 下游山体厚长, 自坝址往下游2 0 0 i n 均无临空 面( 冲沟) 出现。由此得出
17、结论: 克林拱坝坝肩是稳 定 、 安全的。 实际施工中, 须注意做好帷幕灌浆、 固结灌浆、 基础排水等工作, 以利于增强坝肩岩体稳定性。 3 7 传力墩稳定复核 由于坝基开挖揭露坝肩上部地质条件较差, 弱 风化带埋藏较深, 因此左坝肩在6 5 6 0 IT I 以上, 右坝 肩在6 4 7 0 n l 以上增设传力墩。 3 7 1 墩体基本受力数据 根据应力计算结果整理, 传力墩体受力如图2 所示 左 坝 肩 传 力 墩 稳 定 计 算 简 图 右 坝 肩 传 力 墩 稳 定 计 算 简 圈 图2 传力墩受力图 3 7 2 计算成果 根据传力墩的实际受力状况, 根据上面计算出 来的轴力P 、
18、剪力 9 , 分别按两个方向计算墩体稳 定, 选取最不利荷载组合作剪切( 顺河) 方向稳定复 核。经计算, 墩体剪力( 顺河) 方向的抗滑稳定安全 系数K ,左岸传力墩最小为4 3 6 ;右岸传力墩最小为1 9 6 。 3 7 -3 综合分析及结论 ( 1 ) 墩背地基承载力。克林拱坝地质资料表 明, 弱风化泥岩承载力为2 5 M P a , 砂岩承载力为6 M P a o ( 下转第 3 9 页) 3 5 广西水利水电 G U A NG X I WA T E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1
19、3 ( 3 ) De s i g n a n d c o n s t r u c tio n o f l o o s e r o c k fil l d a m b o d y fil l i n g g r o u t i n g f o r Do n g g a n Re s e r v o i r W ANG Z h i C e i l ( G u a n g x i Wa t e r a n d P o w e r D e s i g n I n s t i t u t e , N a n n i n g 5 3 0 0 2 3 , C h i n a ) Ab s t r a c t
20、 : F i l l i n g g r o u t i n g o f l o o s e r o c k fi l l d a m b o d y a t d o w n s t r e a m s i d e o f ma i n d a m i s t h e mo s t c o mp l i c a t e d of a l l r e i n f o r c e me n t me a s u r e s f o r Do n g g a n Re s e r v o i r T h e g r o u t i n g e f f e c t s a l s o p l a y
21、k e y r o l e i n d a m b o d y s t r e s s c alc u l a t i o n An i n t r o d u c t i o n w a s ma d e o n t h e d e s i g n,c o n s t r u c t i o n a n d e x a mi n a t i o n r e s u l t s of l o o s e r o c k fi l l d a m b o d y fi l l - i n g gro u t i ng Ke y wo r d s : Re i n f o r c e me n t
22、 d e s i gn ;r o c k fi l l d am ;f i l l i n g g r o u t i n g; Do n g g a n Re s e rvo i r ( 上接第3 5 页) 左岸 6 5 6 m以上 , 右岸 6 4 7 m以上 , 岩体多为砂、 泥 岩互层 , 并有泥化夹层存在 , 其风化程度界线不甚 明了。部份岩体处于弱、 强风化之间。考虑将地基 变形影响减小到最低程度, 控制地基压力不超过 1 M P a 。上述计算表明, 左岸传力墩, 墩背单位面积受 力最大值为0 8 3 M P a ; 右岸传力墩 , 墩背单位面积 受力最大值为0 7 6 MP a
23、 ; 均小于 1 MP a 。因此, 传力 墩轴向受力是稳定安全的。 ( 2 ) 墩体剪力( J t i 河) 方向的抗滑稳定。计算表 明, 墩体剪力( 顺河) 方向的抗滑稳定安全系数K, 左 岸传力墩最小为4 3 6 ; 右岸传力墩最小为 1 9 6 。均 大于规范值阍= 1 0 5 , 满足稳定要求。 4结语 克林水电站拱坝坝基的地质条件不是很理想, 为砂岩夹泥岩结构, 左右坝肩弱风化层埋藏较深。 在设计中针对具体情况进行优化设计, 采用穿力墩 等措施使拱坝在应力、 稳定等方面均能满足规范要 求。该项 目于2 0 0 8 年5 月建成安全运行至今。 参考文献 1 】 广西玉林水利电力勘测设
24、计研究院 广西西林县克林水 电站工程地质勘察报告【 R 玉林 : 玉林水利电力勘测设计研 究院, 2 0 0 7 f 2 广西玉林水利电力勘测设计研究院 广西西林县克林水 电站工程初步设计报告【 R 】 玉林 : 玉林水利电力勘测设计研 究院, 2 0 0 7 ( 责任编辑 : 刘征湛) Co n c r e t e a r c h d a m d e s i g o f Ke l i n d r o p o we r S t a tio nco n c r e t e a r c h d a m d e s i g n o g Ke l i n Hy d r o p o we r L I U
25、 F a n - x u e ( Wa t e r a n d P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Y u l i n C i t y , Y u l i n 5 3 7 0 0 0 , C h i n a ) Ab s t r a c t :Co mb i n e d wi t h t h e t o p o g r a p h i c a l a n d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ,a n i n t r o d u c t i o n wa s ma d e o n t h
26、e g e n e r a l a n d k e y p o i n t s o f a r c h d a m d e s i g n o f K e l i n Hy d r o p o w e r S t a t i o n, i n r e s p e c t s o f s t r e s s c alc u l a t i o n a n d d e s i gn o f f o r c e t r a n s mi s s i o n p i e r e t c Ke y wo r d s : Ar c h d a m;f o r c e t r a n s mi s s i o n p i e r ;s t r e s s c alc u l a t i o n;d i s p l a c e me n t ;s t a b i l i t y a n aly s i s ;Ke l i n Hy d r o p o we r S t mi o n 3 9