李家河碾压混凝土拱坝设计.pdf

李家河碾压混凝土拱坝设计 i臻琦 ( 陕西省 水利 电力勘 测设 计研 究院 陕西 西安7 1 0 0 0 1 ) 摘 要 李家河水库工程枢纽大坝位于“ S ” 形河道 中段相对顺直的河段上 ， 最大坝高 9 8 5 m， 顶厚 8 m， 底厚 3 1 m， 坝体厚高比 0 3 1 5 ， 系中厚碾压混凝土抛物线双曲拱坝。工程区季节性温差较 大， 温度应力控制较为突出。在充分考虑水文气象 、 地形地质的情况下， 选择碾压混凝土筑 坝材料和抛物线形双 曲拱坝 ， 以简化坝体结构 、 适应地形地质条件， 也加快了施工进度 ， 降 低 了工程造价。 关键词 碾压混凝土拱坝； 设计； 应力分析 中图分类 号 ： T V 6 4 2 4 + 2 文献标 识码 ： B 1工 程概 况 李 家河 水库 位于 西安市 蓝 田县境 内 ， 水库枢纽位于灞河 的一级支流辋川河 中 游 河段 。 坝址 距 西安市 6 5 k m， 该工 程是 解 决西安市东部用水紧张的骨干供水工程 之一 。 李家河水库工程 由水库枢纽和输水 渠道两大部分 组成 。水库正 常蓄水位 8 8 4 0 0 m，校 核洪 水 位 8 8 1 2 9 m，死 水位 8 3 0 0 0 m，最大坝高 9 8 5 m，总库容 5 2 6 0 万 m ， 调 节 库容 4 4 0 0万 m ， 供 水 设 计 流 表 2 断面形式比较表 断面形式 圆形 仿圆形 圆拱直墙型 开挖量 ( m ) 8 7 8 5 9 4 1 6 1 1 4 1 0 砼 量 ( m ) 3 7 2 9 4 3 6 0 5 6 6 3 投 资 ( 万 元 ) 6 7 9 7 7 3 9 8 5 个方案洞身工程投资差别不大 ，考虑到 方 案三 在 地质 条 件上 不 如 方案 二 ，同时 汇流池后供水系统布置复杂，整体投资 不具备优势 ， 而且引水洞施工难度大， 同 时厂 区上、 下游沟道内均为松散弃渣 ， 清 理工程量大。而方案一滑坡体面积较大 ， 如果作为电站后背的永久边坡 ，处理工 程量大， 存在一定的不确定因素。综合以 上原 因采 用洞线 二作 为推 荐方案 。 2 3洞径 及断 面型 式选择 ( 1 ) 洞径 选 择 引 水发 电洞 洞径 的选 择 主要 考 虑 满 足 引水 流量 和 电 站调 节保 证 计 算两 个 条 件 ， 其 中满 足 调节 保证 计 算按 增 加 洞径 、 设 置 调 压井 和设 置 调 压 阀三 个 方案 进 行 比较 。 当考 虑引水 流量 时 ， 引水发 电洞引 水 流量 根据 自由出 流公 式 Q = u g t 2 g H o进 行计算 ， 需要 洞径为 1 7 m。 如果按电站调节保证计算 ， 根据 水 电站 调压 室设计 规范 ( D L T 5 0 5 8 1 9 9 6 ) 设 置 上游 调 压 室 的条 件为 压 力 管道 中水 流惯性时间常数约 2 s 4 s 。经计算 2 2 m 洞径时水流惯性时间常数为 1 4 8 ，不满 足规 范要 求 。可 以通 过增 加 涧 径或 者 设 置调压 井 、 调压 阀来 保证 电站安 全运 行 。 当采用 增加 洞径 时 ， 为 满足 电站调 节 保证计算要求需要洞径 3 m，相应的石方 洞挖 量 为 1 6 4万 r n 3 ，洞身衬砌 5 4 0 2 m 。 仅 开挖 和衬砌两 项 比 2 2 m 洞径引 水洞增 加投 资 约 3 0 0万元 。 当设置调 压井 时 ， 根据 水 电站调 压 室 设 计 规 范 ( D L T 5 0 5 8 1 9 9 6) r A= K- 一计算 上 g ( 仅 + ) ( 风- h w o 一 3 ) 游调 压 室稳 定断 面面 积 7 8 5 m2 , 需要 设置 直径 约 1 0 m的调压井 ，土石方 开挖量 5 3 4 3 m 3 ， C 2 5钢 筋 砼浇 筑 1 5 7 1 m3 ， 调 压 井 工程 直接 投资 约 4 6 6万 元 。 采用设置调压阀方案 ，需设置 p 6 o 0 的减压阀 ，结合 电站选用卧式水轮发电 机组 的情况 ，可 以通 过适 当 增加 机 组转 动惯量的办法来加以解决 ，设备价格约 4 7万元 。 比较 以上 3个 方案 ， 考虑 坝后 电站 引 水 系统 较长 ，采 用 放 大洞 径 的措 施 满 足 电站调节保证计算要求是不经济 的。对 于设 置减 压 阀和 设 置 调 压 室使 用 效 果 ， 虽然减压阀效果不如调压室理想 ，但并 不影 响 工程 性能 ，相对 调 压 室 的建设 来 说 ，减压 阀价格 仅为调 压井 造价 的 1 1 0， 取 消庞 大 的调压 井 建设 ， 不仅 节约 三 材 ， 还 缩 短 了工期 。所 以采 取设 置减 压 阀 的 措施满 足 电站 安全 运行要 求 。 ( 2 ) 断面形 式选择 引水 发 电洞的断 面进行 了 圆形 、 仿 圆 形 、 马蹄形及 圆拱 直墙形 断面 比较 。圆形 断面衬 砌厚 度 0 3 5 m， 仿 圆形 断面衬 砌厚 度 0 3 5 m， 马蹄形衬砌厚度 0 4 m ，圆拱直 墙形衬砌厚度 0 4 m 。 经结构计算知： 圆形 断面需 按构 造配 筋 ， 马蹄形 断 面需 配 p 2 5 钢筋 ； 圆拱 直墙 形断 面需 配 p 2 5钢筋 ， 同 时需 加短 筋 。各 种形 式 断面 的工 程 量及 相应洞身投资见表 2 。 虽然圆形断面施工难度 比其他几种 断面施工难度大 ， 但是工程量小 ， 相应的 工程 造价 低 ，同 时 引水 发 电洞 工期 不是 控 制性 工期 ， 所 以采用 圆形断 面。 3结论 南沟 门水库 工程 引水 发 电洞 通过 多 洞线 比较 、 调保方案优化选择、 隧洞断面 形式综合 比较分析， 在满足引水流量 、 施 工要 求 及 电站 安 全运 行 的要 求 前 提 下 ， 节约 投 资。最 终选 用 进 口布 置 于大 坝 右 岸上游 约 4 5 0 m处 ， 出 口布 置在 右岸 大 坝 下游 约 1 5 0 0 m处 ， 洞径 2 2 m 圆形 断面 方 案 。通 过南 沟 门水库 工 程 引水 发 电洞 的 优化 设计 可 知 ，引水 发 电洞 的设 计 应 因 地制宜 ， 综合考虑工程地形、 地质 、 引水 发电洞的主要功能及工期因素等 ，才能 做到合理的设计。陕西水利 ( 责任编辑 ： 黄灵芝 ) 0 、 J J 、 - 4 o 量为 3 1 5 m s ， 多 年平 均供 水量 7 2 3 0万 I n ， 电站装机容量 4 8 0 0 k W。本工程水库枢纽和 供 水渠 道属 等 中型工程 。 李家河 坝址 流域 面积 3 6 2 k m2 ， 据蓝 田县 气象站 4 7 年气象观测资料统计多年平均气 温 1 3 1 ， 一 月 最 低 ， 平 均 一 1 2 3 ， 七 月 最 高 ， 平均 2 7 q C ； 平均风速 1 4 m s ， 最大风速 2 4 m s ； 多 年平均 径流量 为 1 3 3亿 m 。 李家河坝址悬移质输沙量为 2 l - 3 万吨， 多年 平均含 沙量 为 1 6 k g m ，推移 质 为 3 6 8 万吨 ，李 家河坝址多年平 均输沙总量 为 2 5 O 万吨 。 2坝址 区工程地质条件 水库 区位 于秦岭北部 的中低山区 ， 为 “ V” 字 形峡 谷地 貌 ， 植被 丰茂 。坝 区基岩 裸 露，出露地层为燕山期牧护关花岗侵入岩 体 ， 岩 性较单 一 。河床段 坝基 岩体 以 级 为 主 ， 级 次之 ，变形模量 E 。 为 1 0 G P a 1 5 G P a ， 总体抗变形能力较强 ， 弱风化带中粗 粒 或中细粒花 岗岩饱 和抗 压强度均 大于 6 0 MP a ， 属坚硬 岩 。 左坝 肩 向下游 山体变 厚 ，基岩裸 露 ， 岸 坡 坡 角一般 为 3 5 。 4 2 。 ， 自然边坡 稳定 。f 7 、 f 8 、 t9 、 f 2 1 断层斜穿坝肩，末端 隐灭于河床 坝基 。其 破碎 带 宽 度较 窄 ，为厚 约 0 2 m 1 5 m的碎裂岩 ；右坝肩 向下游山体变薄 ， 8 4 0 m高程 以下坡度 5 0 。 6 0 。 以上约为 4 0 。 。 f 1 、 l2、 f 4 、 f 6断层 斜穿 坝肩 ， 与拱 坝轴 线交 角 约 7 0 。 ， 由于缓倾 角裂隙不发育 ， 因此对坝 肩 抗 滑稳 定影 响不 大 ，但 由于 f 1 断 层破 碎 宽度 较大 ， 具 有 较 大的 压缩 变形 空 间 ， 对 拱 座 岩体 应进行 加 固处 理 。 工 程 区地震 动 峰值 加速 度 为 a = 0 1 5 ， 相 应 的地震 基本 烈度为 度 。 综 合 分析 地 形 、 地 质条 件 ， 李 家河 水 库 枢 纽工程 坝址 宜布置 双 曲拱 坝 。 3拦河坝设计 枢 纽建 筑物 由碾压 混凝 土坝 、 泄 水建 筑 物 、 左 岸塔 式 进水 口 、 9 4 6 3 5 m 长 的引水 洞 、 地面式厂房等组成。 3 1拱 坝体 型设计 本工程 水库 枢纽属 等 中型 工程 ， 永 久 性主要建筑物拦河大坝、 泄水建筑物、 引水 建筑物按 3级设计 ，次要建筑物按 4 级设 计 ， 电站及 临时建 筑物 按 5级 设计 。大坝枢 纽的防洪标准为 5 0 年一遇洪水设计 ，相应 洪峰流量为 9 9 0 m s ， 5 0 0年一遇洪水校核， 相应 洪峰流 量为 1 1 5 2 m s 。 拦河坝为混凝土双曲拱坝， 坝顶高程为 8 8 4 0 0 m， 8 6 5 m高程 以下坝基 开挖 至微风 化 新 鲜基 岩上 ， 8 6 5 m高程 以上坝基 开挖 至 微 风化 弱 风化岩 层的 中 、 下 部 ， 即根据坝 高 挖 除全部 的河 床覆盖 层 、 强 风化 岩石 和部 分 弱风化岩体。在坝体体型优化设计中， 首先 对不同筑坝材料一 一 常态混凝土拱坝与碾 压 混凝 土拱坝进 行 了方案 比选 ， 然后对 拱 坝 体形抛物线形拱坝和三心圆形拱坝进 行了比选 ， 研究坝体应力、 坝体总方量、 坝肩 稳定及工期要求等， 综合比较确定推荐方案 为碾压混凝土抛物线双曲拱坝 。 拱坝中心线 走 向 N W6 3 1 4 。 ， 顶 拱 中心 角 7 9 4 2 。 ， 拱 冠 处 曲率半径为左岸 1 7 6 8 2 m， 右岸 1 6 8 1 2 m， 坝 顶 上游 面弧 长 3 2 4 9 3 m， 弦长 2 9 3 5 8 m， 坝体 厚高比0 3 1 5 。坝顶高程 8 8 4 0 0 m， 最大坝高 9 8 5 0 m， 坝 顶宽 8 m， 坝底 宽 3 1 0 m。 拱 坝应力 计算 分析采 用拱 梁分 载法 ， 将 整个坝体分为 7 拱 1 5 梁。 计算荷载包括上、 下游水压力 、 淤沙压力 、 坝体 自重和温度荷 载。结构分析采用 中国水科院结构所 拱坝 体形优化程序 A D A S O ) ， 共进行了基本荷载 组合、 特殊荷载组合( 非地震工况 ) 、 特殊荷 载组合( 地震工况 ) 共 7种工况的计算分析。 碾压 混凝 土拱 坝的混 凝土 强度采 用 9 O天龄 期 C 2 0 ， 坝体混凝土抗压强度安全系数对于 基本荷载组合采用 3 5 ，对于非地震情况特 殊荷载组合采用 3 O 。坝体应力控制标基本 荷载组合容许拉应力不大于 1 2 M P a ，容许 压应力不大于 5 0 M P a ， 特殊荷载组合 ( 非地 震 工况 ) 容 许拉 应力 不 大于 1 5 MP a ， 容许 压 应力 不大 于 6 7 MP a ； 特殊 荷 载组 合 ( 地震 工 况) 容许拉应力不大于 2 8 M P a ， 容许压应力 不大 于 7 MP a 。 从应力分析结果可以看出， 7种工况 的 最大主应力都小于允许应力， 在荷载基本组 合 下 ， 最 大 拉 应 力 1 1 8 MP a ， 最 大 压 应 力 为 4 3 7 MP a ；在 荷载 特殊组 合下 ，不 考虑地 震 时 ， 最 大拉 应力 为 1 1 9 MP a ； 最大 压 应力 为 4 3 7 MP a ； 考 虑 地震 时 ， 最大 拉 应 力 为 2 7 7 MP a ； 最 大压应 力为 6 6 4 MP a 3 2坝体 结构 设计 3 2 1 坝体混凝土分区 大 坝 上游 面 采用 二 级 配 富胶 凝 材 料 碾 压混凝土作为主要防渗措施 ， 其他部位采用 三级 配碾压 混凝 土 。 泄 洪表 孑 L 布设 在坝 顶 中 部的河床段 ，底孔紧I 溢洪表孔 的左侧布 置 ， 这些 部 位采 用 常 态混 凝 土 ， 不 同部 位 混 凝土对强度的要求不同， 同时还必须满足抗 渗、 抗冲耐磨等要求。 结合不同部位 、 不同结 构各 自的要求， 坝体混凝土分区如下： ( 1 ) 坝体碾压混凝土分 区： 二级 配 碾压 混凝 土 C 9 0 2 0 W8 F 2 ( ： 位 于坝体上游面 ， 顶厚 1 5 m， 底厚 6 8 m， 为防 渗混凝 土 。 三 级 配碾 压 混凝 土 c g 0 2 0 W6 F 1 5 0： 位 于坝体 下游 面。 变态混凝土 ：位于坝体上下游面和两 坝肩与基岩接触部位 ，上下游面采用 0 5 m 厚等强度变态混凝土 ， 两坝肩采用 l m厚等 强 度变 态混凝 土 。 ( 2 ) 坝体常态混凝土分区： 垫层混凝土：为加强坝体与基岩接触 面 的结合 ， 提 高 坝 基 面的 抗剪 强 度 ， 同时 为 碾压混凝土施T方便 ， 找平地基 ， 沿拱坝基 础 设置 1 5 m厚 常态 混凝 土垫 层 ，其设 汁强 度 与 相 应 部 位坝 体 混 凝 土 相 ，采 用 C 2 5 W 8 F2 0 0。 三级配常态混凝土 C 2 5 W6 F 2 0 0 ： 位 r 非 过流 坝顶 、 表 孑 L 、 底孔堰 体 。 非 过流 坝顶厚 度 1 0 m。 二级配常态混凝土 C 5 0 W 6 F 2 0 0 ：位于 表孔、 底孔及闸墩过流面， 为防冲耐磨 昆 凝土。 3 2 2 坝体分缝 李 家 河 碾 压 混 凝 土 拱 坝 坝 顶 弧 长 3 5 1 7 l m， 根 据坝 基地形和拱坝应 力分布 的特 点，结合坝身泄洪设施的布置及初步分缝计 算成果 ， 共设 6 条缝， 其中2 条横缝 ， 4 条诱导 表 1 抛物线( y = x U 2 R ) 双曲拱坝体型参数 高程 右岸拱 圈 中心 左 岸拱 圈 中心 拱 圈厚度 线在拱 冠处 曲 线 在拱 冠处 曲 右半 中心 角 左 半 中心角 中心角 ( m) ( m) 率半 径 ( m) 率半 径( m) 8 8 4 0 0 1 68 1 1 7 1 7 6 8 1 7 8 0 0 3 7 1 6 4 2 2 6 7 9 4 2 8 71 9 6 1 53 5 0 5 1 6 2 7 9 3 9- 8 1 3 8 O 2 4 2 5 3 8 0 5 5 8 6 2 0 0 1 41 41 8 1 5 0 81 3 l 1 9 4 3 8_ 8 1 4 2 8 8 1 6 9 8 4 6 7 O 1 23 2 91 1 3 2 4 5 4 l 5 9 6 6 3 9 6 3 4 3 4 5 8 3 O 8 8 31 4 0 1 0 6 2 8 0 1 1 5 o 9 1 2 0 4 2 7 3 9 8 O 4 3 4 5 8 3 2 5 81 6 1 0 9 1 0 41 9 9 7 8 9 2 4 78 3 862 41 4 7 8 0 0 9 8 0 0 8 0 7 8 2 3 0 8 7 6 1 4 2 8 48 5 3 4 】 l 3 5 3 9 6 9， 5 0 7 8 5 5 O 6 8 5 0 3 7 9 6 2 9 3 1 O O 2 467 2 0 9 9 4 5 6 6 进水13 大型冰水堆积体边坡支护试验及施工 1概述 周礼 雄 ( 中国水利水电第七工程局有限公 司第一分局 四川 彭山 6 2 0 8 6 0 ) 摘 要 冰水堆积体成因复杂， 结构分布极其不规则 ， 构成堆积体的物质成分变异性很大， 边坡支护 造孔困难成孔且注浆密实度不易保证。 在施工过程中， 通过注浆试验， 形成 了高效的冰水堆 积体 支护施工关键技术， 解决 了注浆质量不易保证及进度缓慢的难题 ， 对类似工程施工具 有一定的借鉴意义。 关键词 大型冰水堆积体 ； 进水 口； 边坡支护； 施工技术 中图分类号： T V 5 5 4 + 1 2 文献标识码： B 梨 园水 电 站进 水 口位 于 下 咱 目堆 积 体下游侧边缘部位 。进水 口开挖正面边 坡最大开挖高度达 2 1 5 m，进水 口正面和 上游侧边坡均涉及下咱 日堆积体 。堆积 物主要为分布于堆积体前部的具有层理 状结 构 的砂 卵砾 石层 ( 卵石 混台 土 S I C b ) 和分 布 于堆 积体 后 部 的冰 碛砾 岩 两 大类 物质 ( 混 合 土卵 石 C b S I ) 。冰 水堆 积 体表 层为胶结程度较高的土石混合物 ，下部 混合 物 一般 胶结 程 度较 低 ，堆积 物 较 为 松散 ，电 站 进 水 口堆 积物 厚 度 1 8 1 m 1 1 8 9 7 m 不等 。堆 积 物结 构密 实 ， 部 分呈 弱胶 结 ， 表部 形 成 “ 硬 壳”， 堆 积体 内粉细 砂或粉土多呈透镜状或“ 鸡窝” 状 ， 连续 性差 ， 分布不均匀。总体上进水口堆积体 平 面分 布 范 围 广 、 埋 藏 深 、 规 模 大 ， 成 因 复杂 ， 结构分布极其不规则 ， 物质构成方 面界 于土 和岩石 之 间。 2边 坡支护设计参数 电站进水 口堆积体边坡支护设计参数 为 ： 边坡每 1 5 m 2 0 m设一级 3 m宽马道 ， 开 挖坡度 1 1 1 4 ； 坡 面挂 网喷混凝土 ； 系统砂 浆锚 杆 b 2 8 ， L = 6 0 m， 2 5 m2 5 m；坡面 图 1 坝体 平面布 置 图 图 2 坝体 分 区图 缝 ， 2 条横缝布置在拱坝左右坝头的高拉 应力 区 ， 5条 诱导 缝 间距 为 5 0 m左 右 。 接 缝灌 浆 采 用单 回路 布置 的 重复 灌 浆 系统 ，且 每 个 灌浆 区分成 3个 灌浆 单 回路 区 ，可满 足坝 体 温度 在 未 冷却 到 稳 定温度时就蓄水发电的要求。 大坝蓄水前 ， 首先对 2条横缝进行灌 浆 ；如诱导缝拉开，即适 时对其进行灌 浆， 否则不灌浆 。 3 2 3坝体 防渗 及排水 拱 坝 采 用碾 压 混 凝土 自身 防渗 。即 上游 坝 面用 C 2 0二级 配碾 压 混 凝 土作 为 防渗体 ， 坝顶防渗体厚度为 1 5 m， 向下逐 步 加宽 ， 底 部厚 度 为 6 8 m。另 外 ， 根据 已 建工程经验 ， 为确保防渗效果 ， 在靠近上 游 坝 面 0 5 m 范 围 内采 用 C 2 0变 态 混 凝 土 。 为及时降低坝体渗透压力， 排除渗透 水流， 在坝体内设排水系统。坝体排水管 设 在二 级 配 防渗 碾压 混 凝 土后 ，设 计 采 用钻孔排水 。排水管将坝体排水汇集到 基础灌浆及排水廊道 内，再 自流排到坝 体 外。 4泄水建筑物设计 拱坝坝身泄洪孑 L 口的布置应综合考 虑河道泄洪宽度 、 结合水力消能 、 方便碾 压 混凝 土施 工 和 施工 度 汛要 求 等 因素 确 定 。泄洪建筑物布置时研究了表孔+ 底孑 L 布置 方案 、 表孔 + 左岸 导 流洞 改泄 洪洞 布 置 方案 。经综合 比较确 定采用 表孔 + 底 孔 布 置方 案 。表 孔 布设 在 坝顶 中部 的河 床 段 ， 堰 宽 1 2 0 m， 堰 顶 高程 8 7 2 0 0 m， 溢 流 面 采用 WE S实用堰 型 ；底孔 紧 临溢洪 表 孔的左侧布置，主要任务是泄洪兼顾排 沙 ， 进 口高程 8 2 8 0 m， 孔底水平 ， 进 口为 尺 寸 8 0 mx 6 5 m 的 三 向 收 缩 喇 叭 口 ， 出 口在孔身末端变为 4 ， 0 m x 4 5 m 。 设计过程 中通过 模 型试 验对 底 孔增 加 了窄缝 式 鼻 坎 纵 向拉开 的辅 助消 能 措施 ，底 孔 鼻坎 修 改后 水舌 形 态较 好 ，下 部 散水 现 象有 所 减轻 ， 散 水基 本 落在 护坦 以上水 面 上 ， 各工况对护坦末端的冲刷均较轻。 5结 语 本工程地形不对称 ，地质条件较为 复杂， 季节性温差较大， 抗震设防烈度较 高。通过多方案的综合 比较 ， 李家河水库 工 程 拦 河 坝 采用 碾 压 混 凝 土 双 曲拱 坝 ， 坝高 9 8 5 m， 泄洪建筑物集中布置在主河 床 ， 枢纽建筑物总体布置合理 ， 工程量较 节约。陕西水利 ( 责任编辑 ： 黄灵芝) ： ) 、 J C ) 、 、 - 1 厶 o