藤子沟水电站混凝土拱坝设计.pdf

西 北水 电 2 0 1 1年 第 3期 3 l 文章 编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 1 l 0 3 O 0 3 1 0 6 藤 子沟水 电站混凝 土拱坝设计 于 青 ( 中国水电顾 问集团华东勘测设计研 究院， 杭州3 1 0 0 1 4 ) 摘要： 藤子沟水电站大坝为混凝土双曲拱坝， 最大坝高1 2 4 0 m， 拱坝厚高比为0 1 7 1 ， 目前为中国同等规模中最小。 文章结合藤子沟工程的地质特征 ， 介绍了拱坝 总体布置 、 坝体应力及变位分析 、 坝肩抗 滑稳定分 析及 坝基地质缺 陷处 理等 。 关键词 ： 藤子 沟水 电站 ； 软弱夹层 ； 基础处理 ； 体形优 化 ； 混凝土置换 ； 卸荷带 中图分类 号 ： T V 6 4 2 4 2 文献标识码 ： A D e s i g n o f c o n c r e t e a r c h d a m f o r T e n g z i g o u h y d r o p o we r p r o j e c t Y U Q i n g ( H y d r o c h i n a H u a d o n g E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n ， C H E C C， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A s t h e w a t e r r e t a i n i n g s t r u c t u r e o f T e n g z i g a o h y d r o p o w e r p r o j e e t ， t h e c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e d o u b l e c u r v e a r c h d a m i s 1 2 4 0 m h i g h a t m a x i m u m， w i t h a h i g h - t h i c k r a t i o o f 0 1 7 1 ， t h e s m al l e s t i n s a m e s c al e p r o j e c t s i n C h i n a B a s e d o n t h e g e o l o g i c al f e a t u r e s o f t h e p r o j e c t ， t h i s p a p e r p r e s e n t s t h e g e n e r al l a y o u t o f t h e a r c h d a m， d am b o d y s t r e s s a n d d i s p l a c e m e n t a n a l y s i s ， a b u t m e n t s t a b i l i t y a g a i n s t s l i d i n g a n aly s i s ，a n d t r e a t me n t o f d a m f o u n d a t i o n g e o l o g i c al d e f e c t s Ke y wo r d s ： T e n g z i g o u h y d r o p o w e r p r o j e c t ；s o f t i n t e r l a y e r ；f o u n d a t i o n t r e a t me n t ；o u t l i n e o p t i mi z a t i o n； c o n c r e t e r e p l a c e me n t ；u n l o a d i n g Zn n P 1 工程概况 藤子沟水电站位于重庆市石柱县境 内龙河上游 河段 ， 是龙河梯级规划中的龙头水库。拦河坝距下 游石柱县城约 2 7 k r n 。该工程 以发 电为主， 兼有梯 级调节 、 防洪和养殖等功能。坝址 以上控制流域面 积 5 9 l k m ， 多年平均流量为 l 5 1 m s ， 水库正常蓄 水位和校核洪水位分别为 7 7 5 O 0 I n和 7 7 6 7 2 1T I ， 相应库容分别为 1 8 6亿 In 和 1 9 3亿 In 。电站装 机容量 7 0 MW， 多年平均发 电量 1 9 2亿 k Wh 。坝 址 区地震 基本 烈度 为 度 。根 据 水 工建 筑 物 抗 震 设计规范 的有关规 定 ， 本工程各建 筑物的设计烈 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 1 5 作者简介： 于青 ( 1 9 6 8 一 )， 女 ， 辽 宁省鞍 山市人 ， 高级工 程师 ， 主 要从事水利水电工程设计工作 度均为基本烈度。 藤子沟水 电站采用混合式开发方式 ， 枢纽建筑 物 由挡水建筑物 、 泄洪消能建筑物 、 引水建筑物和厂 区建筑物等组成 。根据 防洪标准 及 水利水电工 程等级划分及洪 水标准 的有关规 定 ， 本工程为二 等工程 ， 工程规模为大 ( 2 ) 型 ， 挡水及泄水建筑物为 2级建筑物。挡水建筑物为常态 昆凝土双 曲拱坝 ， 泄洪消能建筑物采用坝身泄洪表孑 L + 坝下水垫塘消 能形式。 工程于 2 0 0 2年 7月开工 ， 2 0 0 5年 3月蓄水发 电 ， 至 今运 行正 常 。 2坝址主要地形 地质特 征 该 工程坝址位于龙河藤子沟至大沟河段长约 4 7 5 In的“ V” 形峡谷 中， 河水 以 N W2 0 。 流人坝址上 游 的藤子 沟沟 口， 后 转 近 S N 向 ， 至 下 游 的大 沟 沟 口 3 2 于青 藤 子沟水 电站混凝 土拱 坝设计 以 N W2 0 。 方向流出。枯水期河水位高程为 6 6 5 5 6 6 8 4 r n ， 相应河谷宽 6 0 7 0 m。正常蓄水位 7 7 5 0 m相应的河谷宽 2 7 2 0 m， 河谷宽高 比为 2 2 6 。河 谷两岸坡度约 6 0 。 ， 两岸边坡呈不对称性 ， 右岸坝顶 高程以上为陡壁地形 ， 顶高程达 9 4 0 0 m； 左岸坝顶 高程以上呈缓坡 台地 ， 台地高程为 8 0 0 0 m左右。 河床覆盖层厚约 81 1 1T I 。 坝址 区出露 地层 为侏 罗系 中统 上 沙溪 庙 组 ( J 2 s ) 上亚组 61 0层， 由侏罗系中统 ， 珐 ， 灰白色中厚层长石石英砂岩和 J ； ， ) ， ， 紫红色泥质粉砂岩 、 粉砂质泥岩组成 ， 岩体 多呈 微 新鲜风化状态。长石石英砂岩较硬 ， 湿抗压强 度为 6 07 0 MP a ， 变形模量为 1 21 4 G P a ； 泥质粉 砂岩 、 粉砂质 泥岩较 软， 湿 抗压 强度 仅为 2 O2 5 MP a ， 变形模量为 3 5 4 5 G P a ； 坝基岩层呈软弱相 间的互层结构。岩层问又发育有多层软弱夹层 ， 如 R J ， R J R J ， R J ： 等。软弱夹层 主要 由长石石英 砂岩 、 泥质粉砂岩 、 粉砂质泥岩在层间剪切作用下形 成的层问错动带 ( 构造带) ， 由片状岩 、 岩块和泥化 带等组成 。软弱夹层产状与岩层产状基本一致。 图 1为坝址两岸岩层及软弱夹层分布示意图。 图 1 坝址两岸岩层及软弱夹层分布示意 图 坝址区位于石柱向斜南东翼 ， 断裂构造不发育。 岩层为缓倾上游 、 倾右岸的近水平层理状 ， 产状为走 向 N 1 5 。 3 5 。 E， 倾 向 N W， 倾角 1 0 。1 5 。 。由于岩 层倾上游 、 倾右岸， 故右岸为逆 向坡 ， 呈陡崖状； 左岸 为顺向坡 ， 呈缓坡状 ， 卸荷现象较发育。 坝址 区共揭露 I 7条断层破碎带 ， 左岸有 F ， f 2 等 9条， 右岸 ， f 等 6条， 河床为 f 断层 ， 其中规模 较大的 F 断层 ， 出露宽度 为 57 l la _ ， 产状 为走向 N 2 0 。 3 5 。 E， 倾 向 N W， 倾 角 8 0 。 8 5 。 ， 但仅在坝肩 上游边坡出露 ， 延伸范围较小 ； 其它断层规模相对较 小。坝基岩体节理裂隙较发育 ， 节理面多较平直 、 粗 糙 ， 延伸长度较长 ， 个别节理裂隙连通率 达 9 5 1 0 0 ， 裂隙内充填岩屑和少量泥。 坝址左岸岩层为顺向坡 ， 岩层走向近平行河流 ， 岩体 中发育有 N N EN E和 N ww 向陡倾角结构面 ， 纵向切割岸坡岩体。同时左岸岩体 6 6 0 0 m高程以 上发育多条平行于岩层层面的软弱夹层， 从垂直方 向上平行切割岸坡 ， 这样从空 间上形成 了岸坡岩体 应力释放的地质环境。在重力作用下岩体产生剪切 与张拉 ， 使得左岸岸坡岩体呈“ 台阶式” 的卸荷变形 形式。坝址右岸为逆向坡， 卸荷现象不明显 ， 仅局部 地段砂岩坐落在泥岩类软岩上 ， 随着泥岩类岩石强 度的降低 ， 引起压缩变形导致砂岩张拉而形成危岩 体 ， 故在坝肩上、 下游附近有数处危岩体。 西 北水 电 2 0 1 1年 第 3期 3 3 3 拱坝总体布置 在综合分析坝址地形、 地质条件及影 响拱坝坝 肩稳定 的地质因素基础上， 确定拱 坝坝轴线位于藤 子沟沟口下游约 1 5 0 m处 。结合两岸地形条件和泄 洪建 筑 物 布 置 的要 求 ， 确 定 拱 坝 中心 线 方 位 为 N W3 4 2 。 ， 与泄洪中心线夹角 2 4 8 。 。 考虑到 本工程 校 核洪 水洪 峰流 量较 小 ， 仅 为 4 6 1 0 m s ， 因此泄 洪消能建筑物采 用坝身表孔 集 中泄洪+ 坝下水垫塘消能形式 ， 分别在 8 ， 9 ， 1 0 ， 1 1号 坝段顶部布设 3个泄洪表孔 ， 均跨缝布置 ， 孑 L 口尺寸 为 1 2 m1 3 m( 宽 高 ) 。3个表 孔堰 面为开 敞式 WE S实用堰 ， 堰顶高程 7 6 4 0 m， 堰顶上游采用椭圆 曲线 ， 曲线方 程为 + = ， 下 接 WE S堰面曲线 ， 曲线方程为 Y = 0 0 6 5 l x ， 定型 设计水头 H =1 1 0 m。为使水舌纵 向拉 开以减 轻 下泄水流对水垫塘底板 的冲击压力 ， 在 3个表孔出 口处设有不 同尺 寸、 不 同挑角 的齿坎。每个泄洪孑 L 均设置 1道 弧形 工作 门。坝 下水 垫 塘底 板 长度 1 0 2 0 5 m， 底板高程根据不同部位 和所受 冲击压力 情况分 别为 6 5 6 0， 6 5 1 5和 6 5 5 5 m， 底板 混凝 土 厚 2 5 1 T I 。水 垫 塘 底板 基 本 宽 度5 5 0 m， 随 地 形 变 化稍有变动。水垫塘下游设有二道坝 ， 二道坝采用 混凝土重力坝 ， 顶高程为 6 6 3 0 m； 二道坝高 1 0 1T I ， 顶宽 2 0 m， 上 、 下游坡均采用 1： 0 7 。二道坝下游 设有 2 0 m长护坦 ， 护坦顶高程为 6 5 5 m， 厚 2 0 m， 为防止水流淘刷护坦基础 ， 护坦末端设 有 5 5 m深 齿墙。拱坝总体平面布置见图 2 。 料所的分载法程序 AD A S O进行。通常坝体的造价 主要取决于坝体 的混凝 土方量 ， 故 A D A S O程序 以 坝体的体积作为 目标函数 ， 同时将几何约束及应力 约束等作为约束函数 ， 对拱坝进行优化， 寻求理想 的 坝体体形。 拱坝几何约束主要包括 ： 坝顶厚度 I5 m； 拱冠梁凸点以上下游倒悬度 0 3 ； 拱 圈的半 中 心角5 0 。 ； 拱圈的中心角 9 5 。 梁向底部上游 面倒悬度O 3 ； 控制下游拱端水平嵌入深度 以 减少基岩开挖量等因素进行优化。 拱坝应力约束根据 D L T 5 3 4 6 2 0 0 6 混凝土拱 坝设计规范 的有关规定 ： 用拱梁分载法计算时， 容许压应力等于混凝土的极限抗压强度除以安全系 数 ； 容许拉应力对于基本组合不得大于 1 2 MP a 、 对 于非地震情况特殊情况荷载组合 ， 拉应力不得大于 1 5 M P a 。 用有限元法计算时 ， 容许压应力等于 混 凝土 的极 限抗 压 强度 除 以安 全 系数 ； 容许 拉 应 力 对于基本组合不得 大于 1 5 MP a 、 对于非地震情况 特殊情况荷载组合， 拉应力不得大于 2 0 MP a 。 在满足上述几何 约束和应力约束的基础上， 藤 子沟水电站工程优化设计选定的坝型为椭圆形拱圈 双曲拱坝 ( 拱 圈轴线为椭 圆线 ) 。拱 坝坝顶高程为 7 7 7 0 m， 最大坝高 1 2 4 0 r n ， 其 中拱坝坝高 1 1 7 0 m， 坝基混凝土基座厚 7 m。拱冠梁 剖面坝顶宽为 5 0 m， 坝底宽 2 0 0 1 m， 厚高比0 1 7 1 。顶拱中心角 9 0 3 5 。 ， 最大中心角 9 O 5 1 。 ， 坝顶 中心线弧长 3 3 5 4 m， 坝体弧高比 2 8 6 。拱坝体形定义见图 3 。 拱坝体形参数见表 1 。 4 拱坝体形设计 5 拱坝应力 、 变位分析 藤子沟水电站拱坝体形优化采用水科院结构材 图 2 拱坝 总体 平面布 置图 针对优化的拱坝体形应力 、 应变分析 ， 计算采用 水科院结构材料所的分载法程序 ( A D A S O) 、 中国水 利 水 电建 设 工 程 咨 询 公 司 的 拱 梁 分 载 法 程 序 ( S D T L)及 水 科 院 抗 震 所 的 三 维 有 限 元 程 序 ( A D A P ) 进行对 比计算。通过对各 工况的计算 ， 坝 体 的应力 、 径向位移主要 由正常蓄水位温降工况控 制 。 应力计算成果见表 2 。由表 2可知 ： 3个程序计 算 的坝体 最 大 主 压 应 力 值 均 满 足 规 范 要 求。 A D A S O程序计算 的坝体最大主拉应力值基本满足 规范 要求 ； S D T L程 序计算 的坝体最大主拉应力 值除一点 略有超标 外 ， 其余 均基 本满 足规范 要 3 4 于青 藤子 沟水 电站混凝 土拱坝设 计 求； A D A P程序计算 的坝体最大主拉应力值满足规 范 要求 ， 因此拱坝整体应力水平是满足要求的。 坝体最大径 向位移成果见表 3 。 线 ， 、 拱坝平 面示意图 y 上述成果可知 ： 分载法计算的坝体径 向位移 比有限 元法成果小 ， 基本控制在 5 c m以内， 有限元法计算 的坝体径 向位移为 7 7 8 c n l ， 略有增加。 Y C 1 拱圈中心线 坝轴线 f 图 3 拱坝体形定义 图图 表 1 拱坝体形参数表 拱冠梁剖面图 单位 ： m 表 2 正常蓄水位温降工况坝体应力特征值表 MP 6 坝肩抗滑稳定分析 未 s 盯 篡 s s卯 A D A S O( 未考虑开孔 ) A D A S O( 考虑开孔 ) A D A P( 未考虑开孔 ) 4 7 O 顶拱拱冠偏左 5 0 0 顶拱拱冠偏左 7 7 8 顶拱拱冠 拱坝两岸坝肩分布有软、 硬相间的长石石英砂 岩和泥质粉砂岩 、 粉砂质泥岩岩体 ， 在软弱相问岩层 间又发育有 多层 软弱 夹层 ， 如 左岸 发育有 R ， R J ， R J 等 ， 右岸发育有 R J ， R J ， R J ：等。软弱夹 层性状多较差 ， 物理力学指标较低。如 R J 碎屑夹 泥型软弱夹层 ， 其构成物质主要为薄片状破碎物夹 褐黄色泥和碎屑， 薄板状岩面上多附着泥漠 ， 其抗剪 参数 厂= 0 3 50 4 0， c 0 0 5 0 i Mi d a 。软弱岩 层和软弱夹层呈缓倾上游、 倾右岸的近水平层理状 ， 在 坝体上 、 下游 出露 ， 形成 了最 不利 于坝肩基 岩稳定 的地质条件 。 坝址区揭露的陡倾角断层破碎带对坝肩稳定影 响较小 ， 其 中规模较大的 F 断层 ， 仅在坝肩上游开 西北水 电 2 0 1 1年 第 3期 3 5 挖边坡出露 ， 延伸范围较小 ， 均不构成对坝肩稳定有 影响的侧裂面。坝基岩体节理裂隙较发育 ， 左 坝肩 主要有 ： 走 向 N 1 0 。 3 5 。 E， 倾 向 N W， 倾 角 7 5 。 8 8 。 ； 走向 N 1 0 。 3 0 。 W， 倾向 S W， 倾角7 0 。 8 5 。 ； 走向 N 5 0 。 7 5 。 W， 倾 向 N E S W， 倾角 7 8 。 8 5 。 。 节理面多较平直 、 粗糙 ， 延伸长度多为 51 5 i n ， 间 距一般 0 5 3 0 m， 多微 张 1 2 m m， 充填岩屑和 少量泥。右坝肩岩体 中节理发育 ， 且多呈节理密集 带分布， 其延伸长度一般为 1 2 2 0 m， 个别达 5 0 m。 考虑到软弱夹层 R J ， R J 位于拱坝中下部 ， 此 部位拱推力较大， 是坝肩抗滑稳定的控制滑面， 其与 两岸坝肩节理裂隙组合可构成不利块体 。设计对天 然状况下左右坝肩典型滑块抗滑稳定进行了计算 ， 抗滑稳定计算采用 刚体极限平衡法 ， 采 用 混凝土 拱坝设计规范 规定的剪摩公式 ， 计算成果见表 4 。 表 4 坝肩典 型滑块抗 滑稳定安全系数成果表 表 4成果表明： 天然状况下 ， 左岸 B 2滑块最小 安全系 数 为 2 1 2 2 ， 右岸 A 1滑块 最 小 安 全 系 数 1 9 0 8 ， 均小于规范值 3 2 5 ， 表 明两岸坝肩均不满足 要求 ， 需要处理。 7坝肩及 坝基处理 7 1 两岸 坝肩 处理 两岸坝肩抗滑稳定均受 R J 软弱夹层控制 ， 考 虑到 R 软弱夹层坝基埋深相对较浅 ， 通过技术经 济 比较 ， 采用 明挖 回填 置换 等处 理措 施 。 左岸处理 方案 ： 挖 除坝 基及 下 游一 定范 围内 R J 软弱夹层及 J ”以上 的卸荷体 ， 坝基范围内回 填混凝土至原坝基建基高程 ， 坝基下游开挖 范围内 回填 “ 台阶状 ” 混凝 土 ， 恢 复原 天 然 地 貌 。左 岸基 础 处 理平 、 剖 面图见 图 4 ， 5 。 右岸坝基处理结合对 层泥岩的置换统一考 虑 ， 挖除坝基范围内的 泥岩再回填混凝土。 经置换处理后的左右坝肩典型滑块抗滑稳定安 全系数成果见表 5 。 表 5 坝 肩典型滑块 抗滑稳定安全系数成 果表 经置换处理 后左 岸 B 2滑块最 小安 全系数 为 3 7 7 ， 右岸 A1滑块最小安全系数 3 6 3 8 ， 均大于规 范值 3 2 5， 表 明两岸坝肩典 型滑块 均满足稳 定要 求 。 7 2河床 部位 坝基 处理 坝基 出露 的岩层为 长石石英砂岩 ， 由于岩 层呈缓倾上游 、 倾 右岸 的近水平 层理状构造 ， 使得 聪u 长石石英砂岩下伏的 层泥质粉砂岩、 粉砂质 泥岩在水垫塘基础部位亦有出露。考虑到 琰” 长石 石英砂岩厚度较薄 ， 建基面以下仅有 1 3 m， 其下伏 的缓倾上游 、 倾右岸的 岩层属软岩 ， 岩体物理力 学指标较低 ， 河床部位存在深层滑动问题 ， 为提高拱 坝深层抗滑稳定性 ， 同时避免拱坝基础不均匀变形 和改善坝基受力条件 ， 在 6 5 3 0 m高程岩面 以上布 设混凝土基座作为拱 坝基础 ， 基座顶高程为 6 6 0 0 m， 基座向上 、 下游延伸 范围呈不规则形状 ， 拱冠梁 处向上游延伸 1 0 0 m、 向下游延伸 2 0 0 m。经处理 后拱坝坝基沿深层抗滑稳定最小安全系数为 3 1 2 。 7 3两岸 软弱 夹层 处理 坝址两岸共发育有 1 2条软弱夹层 ， 其对坝基及 坝肩岩体变形存在不 同程度的影响， 为此根据夹层 性质和 厚度分 别进 行 处理。其 中 R J ， R J ， R J ， R J 一 因其性状较差 ， 分别与 J ， 泥岩一起采取 置换混凝土处理； 其余夹层均进行深挖 回填混凝 土 受 王 单 3 6 8 结 沦 图 4左岸基础处理平面图 通过体形优化 ， 得 出藤子沟水 电站拱坝厚高 比 为 0 1 7 1 ， 基本体形方量为 3 2万 m ， 为 中国 目前同 等规模 中最小的坝体 ， 节省了大量的投资。 T _ r l 琏 图 5 左岸 一基础处理剖面图单位 ： n l l I l ； 高程 ， n l 藤子沟水电站拱坝地质条件相对较差 ， 坝基及 坝肩范围内存在着缓倾上游 、 倾 右岸的软硬相问岩 层 ， 岩层间又发育多层软弱夹层 ， 与坝肩陡倾角节理 裂隙组合 可构成 不利 的 滑动块体， 加之左岸顺 向 坡造成 的“ 台阶状” 卸荷 带 ， 使得左岸坝肩稳定 问 题 十分 突 出 设 计 人员 巧妙 的利用 开挖置换 回 填混凝土处理措施 ， 将置 换体混凝 土设计 成 台阶 状 ， 既解决 了坝肩稳定问 题 ， 又恢复了原有坝下抗 力体 的岸坡 形态 。由于 河床 部位亦 发育有 缓倾 上游 、 倾 右 岸 的软 弱 岩 层， 为提高拱坝深层抗 滑 稳定性， 同时避免拱坝基 础不均 匀变形 和改 善坝 基受力条件 ， 设计人员采 用设 置混凝 土基 座解 决 这一不利 的地质 缺 陷问 题 从 2 0 0 5年 3月蓄水发电至今 ， 藤子沟水电站拱 坝运行良好 ， 表明采用的设计方案是安全合理的。 参考文献 ： 1 姚栓喜 ， 李蒲健 ， 雷丽萍 拉西 瓦水电站混 凝土双 曲拱坝设计 J 水力发电， 2 0 0 7， 3 3 ( 1 1 ) ： 3 0 3 3 邹丽春， 杨光亮， 喻建清 小湾水电站工程关键技术研究 J 水力发电 ， 2 0 0 6， 3 2 ( I i ) ： 9 一 i i D I MT 5 3 4 6 -2 0 0 6 ， 混凝土拱坝设计规范 J 北京： 中国电力出 版社 ， 2 0 0 7 罗恒， 陈大松 ， 刘其文 ， 熊杰 某椭圆双曲拱 坝设计与讨论 J 水力发 电， 2 0 1 0， ( 1 0 )： 2 2 2 3 龚道 勇 ， 向光红 ， 郭艳 阳 三里 坪碾 压混 凝土 双 曲拱坝 设计 J 人民长江 ， 2 0 0 9， ( 2 3 ) ： 3 0 3 2 吴文峰 高碾压 昆凝土双 曲拱 坝设计探讨 J 小水 电， 2 0 0 8 ， ( 4)： 1 8 2 1 杨 渊 小 湾水 电站拱 坝 设计 方 案探 讨 J 科 技 创新 导报 ， 2 0 0 9， ( 3 4) ： 5 6 1j ；1