泥岩地区建设拱坝的先例——广西百色市克林水电站混凝土双曲拱坝设计.pdf

设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 1年第 6期 泥岩地区建设拱坝的先例 广西百色市克林水电站混凝土双曲拱坝设计 欧震李景 才 ( f - 西玉林水利 电力勘测设计研究院 广西玉林 3 0 0 4 5 6 ) 【 摘要】 在宽河谷上建造成较薄 的混凝 土双 曲拱 坝 ， 按 一般常规 ， 河谷宽 高 比 L H 一 3 5 4 3 ， 宜建造厚 高 比 H 0 3 5的重力 拱坝 ， 而通过精心设计 ， 局部设置体积较小 的传力墩结构 ， 成功地在砂岩夹泥岩 、 泥岩夹砂 岩及 砂泥岩互层 ， 构造 裂缝 较发育 ， 层理间存 在有较 多 的泥化 夹层 ， 这样 复杂 的地 质条件 下 ， 建成 了厚 高 比 T H 仅为 o 2 7 7的较薄拱 坝。与重 力拱 坝相 比节省工程投资约 6 0 0万元 ， 节省 2 O ； 与重力坝 相 比节省 工程投资约 1 0 0 0万 元 ， 节省 3 8 。取得 了显著的工程效益 。填补 了广西 区内泥岩建造拱坝 的空 白， 在 国内也属少见 。 【 关键 词】 宽河谷砂岩夹泥岩泥岩夹砂岩砂 泥岩互层薄混凝土双 曲拱坝 【 中图分 类号】T V6 4 2 4 【 文献标识码】c【 文章编号】1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 6 9 0 8 【 D 0I 编码】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 l 1 0 6 0 2 0 1 前言 克林水 电站 双 曲拱 坝 最 大 坝 高 H 一 5 9 0 1 m， 坝底 厚 度 T 一 1 6 3 5 m， 开 挖 后 河 谷 宽 度 L 一 2 0 8 6 m，河谷呈梯型 ，宽高比L H： 3 5 4 ，坝体厚 高比 H一 0 2 7 7 ，设计最大拉应力 1 1 9 8 MP a ，最 大压应力 2 7 9 5 MP a 。非对称结构布置。顶拱坝轴半 径 R= = =9 6 4 9 7 m，中心角 一 1 1 9 2 8 0 。 ，其中左中 心角 6 3 2 8 0 1 。 ，右 中心角 5 6 。 。 在宽河谷上建造成较薄的混凝土双曲拱坝 ，按 一 般常规 ，河谷宽高比L H=3 5 4 3 ，宜建造厚 高比 T H 0 3 5的重力拱坝 ，而通过精心设计 ， 局部设置体积较小的传力墩结构 ，成功地在砂岩夹 泥岩 、泥 岩 夹 砂 岩 及 砂 泥 岩 互 层 ，构 造 裂 缝 较 发 育 ，层理间存在有较多的泥化夹层 ，这样复杂的地 质条件下 ，建成 了厚高 比 T H仅为 0 2 7 7的较薄 拱坝 。与重力拱坝相 比节省工程投资约 6 0 0万元 ， 节省 2 0 ；与重力坝相比节省工程投资约 1 0 0 0万 元 ，节省 3 8 。取得了显著的工程效益 。填 补 了 广西区内泥岩建造拱坝的空白，在国内也属少见 。 由于本项 目地质情况较复杂，业主先后请 了浙 江大学 、湖南省水 电设计院 、广东省水电设计 院、 昆明水电设计院、吉林省水 电设计院、广西电力设 计院、广西水利厅等有关专家到现场进行技术考察 咨询指导 ，设计过程中得到 中科院拱坝设计研究专 家朱伯芳的弟子杨波教授的指导。 大坝工程于 2 0 0 4年 9 月破土动工 ，于 2 0 0 6年 6月 2 2日开 始 下 闸 蓄水 发 电 ，至 今 已正 常 运 行 5 年多 时 间 。 2 基本概况 克林水电站坝址位于革命老区广西百色市西林 县那 劳 乡 那 劳 村 那 伏 屯 ，坝 址 以 上 集 雨 面 积 6 5 4 k m ，距西林县城 5 8 k m，座落在珠江水系右江 支流 的克林 河 ，距克林 河 口 2 0 5 k m。克林 水 电站 是 以发电为主的引水式水 电站 ，由双曲拱坝、引水隧 洞和厂房三大建筑物组成 。电站装机总容量 3 7 2 1 MW；在 6 4 0 m 高 程 左 岸 通 过 3 5 1 0 m 长、洞 径 2 8 m 的引水隧洞和 5 9 5 m压力钢管，将水引至那维 驮娘江边与那维 电站扩建合二为一的克林厂房发电。 流域属 亚热 带温 湿气候 区 ，气候 温和 湿润 ，雨 量充沛 。多年平均降雨量 1 0 7 0 7 mm，最大年降雨 量 1 3 3 7 5 mm，最小年 降雨量 7 6 6 2 mm；多 年平 均气温 1 9 1 ，极端最高气温 3 9 3 C，极端最低 气温 一3 1 ；全 年 以北风 为主 ，风 向西、西南 ， 年平 均风 速 3 m s ，多 年平 均最大 风速 1 4 m s 。 克林水电站拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶轴 线长 2 7 7 3 9 m，其中位于中段的溢流坝段长 4 0 m，最 大坝高 5 9 0 1 m。水库设计水库正常蓄水位 6 6 6 0 0 m， 设计洪水位 6 7 0 0 2 I T I ，校核洪水位 6 7 0 6 9 m，死水位 作者简介 ：欧震( 1 9 6 o年一) ，高级工程师，院长。 6 9 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 1 年第 6 期 6 4 7 0 0 m；水 库 总库 容 1 3 6 5万 m。 ，调 节 库 容 7 7 4 万 m。 ，死库容 3 1 9万 m。 ，为不完全年调节水库 ； 大坝最大下泄流量 8 3 1 m。 s ，单宽流量 2 O 8 1 T I 。 s 。 多年平均发 电量 8 5 0 3万 k W ? ?h 。送电 电压等级 为 1 1 0 k V，供电至广西区电网。 克林水 电站枢纽工程等级属 等 ，大坝按 3级 永久建筑物 ，按 5 0年一遇洪水设计 ，5 0 0年一遇 洪水校核 ；隧洞 、厂房、变电站 、厂区防洪堤按 4 级建筑物 ，3 0年一遇设计 ，1 0 0年一遇校核 。 工程总投资为 1 4 4 3 8 2 9万元 。单位千瓦投 资 6 8 7 5 元 k w ，单位 千瓦时投资 1 6 9 8元 k W h 。 其中大坝部分投资 2 9 9 7 1 4万元 ，单位千瓦大坝部 分投资 1 4 2 7元 k W，单 位千 瓦 时大 坝 部分 投 资 0 3 5 2元 k w? ? h 。 大 坝 主 要 工 程 量 ：挖 土 4 1 1 3 8 m。 ，挖 石 4 6 1 4 6 m。 ，填 土 1 2 5 6 m。 ，浆 砌 石 4 2 2 2 m。 ，混 凝 土 6 4 7 1 9 m。 。 3混凝土双 曲拱坝技术设计 3 1 坝 基及 坝肩 地质 条件 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，左岸 6 7 0 m高 程 以上 为 一背 斜 ；右岸 6 5 0 m 高程 处 为一 背 斜 ， 6 8 0 m高程处为一 向斜。左岸舒 缓，右岸较 紧密。 坝 区没有断层发育 ，但岩石节理发育 ，尤其是风化 节理 ，岩体较破碎。 坝区断层不发育 ，仅在右岸平硐 P D。 中，发现 的顺层 F 断层( L ) ，破 碎带 和泥化 宽 2 3 m， 倾角 8 2 。 ，可局部挖除处理 。 节理裂隙。节理主要有 4组 ：5 5 。 S E、NW 3 5 。 8 0 。 ； 3 5 。 NW 7 0 。 ； 8 5 。 NW 3 5 4 0 。 ；3 2 5 。 NE、S W5 3 5 。 。其 中最发育 的是 第组 ，它与多属厚层砂岩层内近垂直或斜交岩 层的陡倾裂隙。和组多属层间 ( 缓倾角)裂隙 构造 。河流流向 S E为 1 1 5 。 ，坝区内主要 的 、 组裂隙 ，走向基本垂直河流流向，倾 向上游 ，倾角 7 0 。 ，对坝基抗滑无不 良影响。 层间剪切带。由于坝区地层为砂岩夹泥 ，岩层 挤压强烈 ，褶皱发育 ，为适应岩体的总体变形 ，多 沿岩层中的软层发生层问剪切作用以补偿不同构造 部位的岩层的加长与缩短 ，增厚与减薄。现场实地 观察和在大比例尺施工地质素描时，发现泥岩部位 遭受不同程度的剪切错动 ，厚度一般 0 5 5 c m不 等。在强弱风化岩体 内，大部 已泥化 ，其抗剪强 度 f=0 2 0 2 5，CO 0 0 1 MP a 。在微 新 70 鲜岩 体 内性状 稍好 ，其抗 剪 强度 f一0 2 5 0 3 ， C 一 0 01 O 03 M Pa。 两岸岩体为弱风化砂岩夹泥岩 ，岩体较破碎 ， 泥 岩 强度 低 ，且顺 层 泥 化 夹 层 发 育 ，变 形模 量 低 ， 泥化夹层抗剪强度很低 ，两岸拱坝主应力方向与岩 层 面 大 角 度 相 交 ，两 岸 均 为 顺 向 坡 ，岩 层 倾 角 较 陡，顺层发育的与其它节理组合，对坝肩抗滑稳定 不利。但由于两岸山体雄厚 ，坝线以下 2 0 0 m 范围 左 、右岸均无临空冲沟构造，有利于坝肩稳定 ，这 是本工程设计拱坝的关键有利条件。 鉴于节理裂隙较 发育 ，存 在有 软化 、泥化夹 层 ，因此 ，进行基础帷幕及 固结灌浆 ，以增强岩体 整体性及减少沿裂隙渗漏的可能。 3 2 拱 坝布 置及 拱坝 结构设 计 3 2 1 基岩 及坝 体混 凝 土材料 参数 表 1 基岩及 坝体 混凝土材料参数 6 6 6 6 6 O 6 47 6 2 7 0 61 9 5 高程( m) 6 6 0 6 4 7 6 27 6 1 9 5 61 2 5 左岸 综合变形模量( GP a ) 2 8 3 1 3 1 3 1 3 1 容重( k N m ) 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 基岩 泊松 比 O Z 9 0 2 9 O 2 9 O 2 9 O 2 9 右岸 综合变形模量( G P a ) 2 0 3 1 3 1 3 1 3 1 容重容重( k N m0 ) 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 基岩 泊松 比 0 3 O 2 9 0 2 9 0 2 9 O 2 9 综合变形模量( G P a )J 3 1 河谷底部基岩 泊松比 0 2 9 坝体 变形模量( 考虑混凝 土徐变) ( GP a ) 2 O 混凝土 容 重( k N m。 ) 2 3 5 泊松比 0 1 7 材料 线胀 系数 ( 1 c) 0 0 0 0 0 1 ( C 2 O ) 导 温系数 ( m。 Y ) 3 3 2 2 拱坝各个高程拱圈的几何参数 表 2 拱坝几何参数表 河谷宽 ( B ) 轴半径 拱厚 半 中心角 ( F A， 。 ) 拱冠梁 各层高程 左 岸 右岸 ( R ) ( T) 左岸 右岸 上游面( Y) ( Z H) 8 6 1 9 8 O 9 6 5 0 4 6 3 5 6 O 6 6 6 0 7 4 1 g 6 8 7 2 8 5 6 9 5 9 4 6 0 5 3 3 6 7 6 5 8 3 6 6 2 6 8 5 8 7 5 5 9 7 8 3 5 6 O 5 5 0 1 5 6 3 5 6 5 0 7 1 5 O 1 8 4 8 78 6 6 1 9 9 6 5 4 9 3 3 4 7 5 1 8 0 4 6 4 3 0 7 3 8 7 6 3 8 5 7 5 1 1 4 2 4 2 4 1 4 1 3 9 8 7 4 6 3 5 4 3 28 7 3 0 4 9 5 1 1 3 1 2 3 5 4 5 3 7 3 2 8 4 4 6 2 7 7 9 20 7 2 2 7g 4 2 2 3 1 4 7 7 2 9 3 7 3 2 6 9 7 1 5 6 2 0 1 4 1 0 3 1 3 71 3 5 6 6 1 6 3 5 1 6 8 2 2 6 3 4 8 7 6 1 2 5 O 3 2 3坝 体 分 缝 设 计 ( 1 ) 横缝 。为防止坝体开裂 ， 需设置横缝 。横缝 距离为 2 0 m左右 ， 采用宽缝结 构， 缝宽取 0 8 m， 近 上游面设置多边形混凝土塞。待坝体完全冷却后再 用密实的混凝土填满宽缝 。 ( 2 ) 水平缝 。由于施工需要 ， 坝体必须 分层浇 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 1年第 6期 筑 ， 每层高度约为 1 2 m， 水平缝接合面需进行净缝 工作。可用压力水喷射 ， 冲净混凝土表面， 并保持一 定 的表 面湿 度 ， 随 即 浇筑 上 层 的混 凝 土 。如 果 已十 分干硬 ， 用压力水无法 冲掉表面浮浆 ， 则需进行 凿 毛 ， 然后再冲洗 。 ( 3 ) 纵缝 。因坝体较薄， 不设纵缝。 3 2 4 拱坝应力应 变等 内力计算 拱坝应力分析采用 中国水利水电科学 院( 朱伯 芳) 多拱梁法应力计算软件 ， 计算成果如下 ： ( 1 ) 拱坝径 向位移。 表 3 拱坝在不 同工况下 各层 高程最大径向位移I c m) 高程( m) 正常+温降位移 校核+温升位 移 6 6 6 0 1 7 6 5 1 1 2 3 6 5 8 4 1 6 9 9 1 2 6 7 6 5 O 7 1 6 0 6 1 34 9 6 4 3 1 1 _ 4 7 8 1 35 4 6 3 5 4 1 3 1 8 1 2 85 6 2 7 8 1 1 3 1 1 1 4 5 6 2 0 1 O 9 1 7 0 9 4 2 61 2 5 0 6 8 0 0 6 8 7 注 ： 位移向下游方 向为正 。 ( 2 ) 拱 坝最 大 主应力 。 表 4 拱 坝不 同工况上下游面最大主应力 上 游 面 下 游 面 应力值 一 0 2 7 5 1 9 0 4 1 1 9 8 1 7 1 1 正 常+温 降 ( MP a ) 位 置( 高程) 6 3 5 4 RT 6 4 3 1 CR 6 2 0 1 CR 6 3 5 4 R T 应力值 0 8 5 8 2 5 3 9 0 6 3 4 2 7 9 5 校核+温升 ( MP a ) 位 置( 高程 ) 6 3 5 4 RT 6 6 6 0 L F 6 2 0 1 RT 6 5 8 4 RT 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。 ( 3 ) 拱坝拱端轴 向推力、 剪力、 竖 向力及拱端合 力角 。拱端轴 向推力和剪力正负号规定 ： 拱端岩体 所受的轴 向力指向拱端岩体内为正， 指向拱端岩体 外为负； 所受的剪力指向下游侧为正 ， 指向上游侧为 负 ； 所 受 的竖 向力 铅直 向下 为正 ， 铅直 向上 为负 。 表 5 拱端处单位高度范围内轴向力 ( 单位 ： l o o t m) 正常 +温降工况 校核+温升工 况 高程( m) 左拱端 右拱端 左拱端 右拱端 6 6 6 0 O 2 5 5 0 5 0 2 8 5 1 4 6 6 0 8 6 5 8 4 3 1 7 9 3 7 1 5 9 5 4 1 1 0 3 0 5 6 5 O 7 6 0 3 2 6 1 5 1 1 0 O9 9 1 0 21 7 6 4 3 1 9 3 3 8 7 6 1 3 1 1 9 6 3 1 0 2 4 4 6 3 5 4 9 7 2 6 9 7 9 4 1 1 36 7 11 8 3 5 6 2 7 8 8 4 l 3 8 0 2 4 9 5 4 2 9 3 9 2 6 2 0 1 6 8 5 5 6 7 7 6 7 5 2 3 7 6 4 3 拱端合力角是指拱端轴力和剪力和的合力与 X 轴( 横河向) 的夹角， 合力角愈小 ， 合力方向愈指向山 里 ， 稳定性能愈好 ， 中心角仅反映了拱端轴向推力 的 方向， 而合力角还增加 了拱端径 向剪力的影 响 表 6不同高程拱端处单位高度范围内剪力( 单位 ： l O O t m) 正常+温降工况 校核+温升工况 高程 ( m) 左拱端 右拱端 左拱 端 右拱端 6 6 6 0 一 O O 6 6 一 O O 9 9 一 O 1 6 1 一 O 1 7 3 6 5 8 4 0 1 5 8 0 0 5 5 0 5 66 0 5 2 3 6 5 0 7 1 3 0 2 1 4 8 8 0 0 2l 0 3 5 7 6 4 3 1 3 9 3 3 2 9 2 0 2 6 8 2 2 O 3 7 6 3 5 4 6 9 3 5 7 4 8 3 6 1 1 3 6 8 6 2 6 2 7 8 8 9 3 2 7 7 0 3 8 5 41 7 4 1 4 6 2 O 1 9 1 6 6 7 9 9 8 8 9 5 7 7 8 3 7 表 7 不同高程拱端处单位高度范围内竖向力I 单位 ： l O 0 0 t m) 正常+温降工况 校核+温升工况 高程( m) 左拱端 右拱端 左拱端 右拱端 6 6 6 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 O 0 0 0 0 6 5 8 4 0 0 8 5 0 0 8 3 O 0 5 3 O O 61 6 5 0 7 0 2 5 7 0 2 7 2 0 2 O 6 0 2 2 8 6 4 3 1 0 47 6 0 5 2 5 0 4 1 6 0 4 6 3 6 3 5 4 O 7 6 4 O 75 9 O 7 1 0 0 7 l 8 6 2 7 8 1 0 7 2 1 1 1 9 1 0 4 7 1 1 0 4 6 2 0 1 1 3 8 2 1 3 5 5 1 3 8 2 1 3 6 7 6 1 2 5 1 4 3 3 1 4 2 6 1 4 6 0 1 4 5 4 表 8 拱端合 力角 ( 。 ) 正常+温降工况 校核+温升工况 高程( m) 左拱端 右拱端 左拱端 右拱 端 6 6 6 0 4 8 7 5 0 4 4 89 0 6 2 1 9 7 5 4 5 0 1 6 5 8 4 6 2 8 5 3 53 8 4 5 5 6 6 0 4 5 O O9 2 6 5 0 7 6 8 2 3 1 6 3 7 4 4 5 6 1 7 0 5 2 1 5 0 6 4 3 1 7 2 1 6 8 6 8 49 8 61 9 6 5 5 8 7 5 6 6 3 5 4 7 7 9 0 0 7 8 7 7 0 7 0 6 8 0 7 l _ 4 9 7 6 2 7 8 8 2 1 6 3 8 1 1 5 2 7 7 2 8 2 7 5 6 O 5 6 2 0 1 8 2 5 7 9 8 2 4 2 0 7 9 3 4 5 7 8 41 0 6 1 2 5 8 6 O 5 1 8 6 33 8 8 4 2 3 1 8 3 2 1 8 ( 4 )应力计算成果分析 。坝体 昆 凝土强度 等级采用 C 2 0 。计算结果表 明， 上述计算最大压应 力 2 7 9 5 MP a ， 小 于 混 凝 土 容 许 压 应 力 d压 ： 2 0 4 5 O MP a ( 即混凝 土极 限抗 压 强度 除 以安全 系数 矗 一4 ) ； 最大拉应力为 1 1 9 8 MP a ， 小于混凝土拱坝设 计规范( S L 2 8 2 -2 0 0 3 ) 规定的容许拉应力 1 2 MP a ， 并且小 于 S L T1 9 1 -9 6 水 工混 凝土 结构 设计 规 范 所列 的 C 2 0混凝土抗 拉强度 标准值 1 5 MP a 。 应力条件满足规范要求 。 3 2 5拱座设 计 根 据 应 力 计 算 成 果 ， 拱 座 最 大 压 应 力 为 2 7 9 5 t m 。由于坝肩夹有部分三 叠系泥岩 ， 根据 地质报告 ， 弱风化泥岩承载力为 2 5 MP a ， 设计采用 允许应力取 r- o 7 2 0 MP a ， 压应力大于基础允许 7】 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 1年第 6期 应力 ， 因此， 在泥岩部位 ， 需考虑扩大拱座以减少压 应力 。 底层 拱 厚 与半 径 比值 T R 一 1 4 9 3 8 1 9 0 3 9 ， 顶层 T R= = = 4 8 5 6 8 0 0 5 ， 据此查相关资料 得相应拱圈 曲率改正系数分别为 下=1 1 4 、 下一 1 O 2 ， 统一取 下一1 1 4计算 。 拱座厚度 按下式计算 ： Td- - ( ) 。 一 + 式中： Ha 、 为各层拱圈的拱端轴力和弯矩。 根据计算成果 ， 自6 3 2 7 9 m高程以上 的泥岩部 位拱座上 、 下游扩宽T值为拱圈厚度 T的 0 。 0 9 0 1 5 倍 ， 为方 便实 际施工 ， 统一 按上 、 下游各 加厚 0 2 T设计 ， 即拱座厚为拱 圈厚 的 1 4 0倍 。加厚办 法顺基坑上、 下游开挖斜度 ， 在弱风化岩层用 3 0 。 角 扩散至拱座宽度满足要求 1 4 T为止。泥岩与砂岩 之间 的拱 座厚 按 顺 接 过 度 ， 过 渡 角 按 4 5 。 布 置 。 6 3 2 7 9 m 以下 的拱 圈 厚度 已满 足要 求 ( T 为负 值) ， 不必加大拱座。 3 2 6 坝肩 抗 滑稳 定计 算 ( 1 ) 坝肩稳定计算方法 。 拱坝建于弱风化岩层之上 。河谷呈梯型 ， 根据 实际地形地质条件， 设计 按非对称结构切取坝肩抗 滑岩块采用分层稳定法进行抗滑稳定计算 。 分层考虑 ， 河床 6 2 0 1 4 m 高程 以上共分七层 ， 每层按侧斜滑面、 底平面切取抗滑稳定岩体， 岩体顶 面按 自由岩体处理 ， 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 。 ( 2 ) 坝肩稳定复核计算成果 。 根据计算成果 ， 左坝肩 6 2 7 7 8 5 6 3 5 4 2 8 m高 程为最危险层 ， 其抗滑稳定安全系 数 KI仅为 3 7 ， 设计单位在这一层假设其滑动面滑出点至坝脚距离 分别为 6 0 ， 5 O ， 4 O ， 3 5 ， 3 O ， 2 5 ， 2 0 ， 1 5 m， 分别计算其相 应的抗滑稳定安全系数 KI ， 寻求最危险滑动面， 该滑 动面穿过各岩层， 取其 ， 一 0 5 2 、 =3 4 t m2 。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 m， 抗滑稳定安全 系数 KI 最小值 ， 校核水位 +温 升工况 为 3 8 ；正常水 位 +温 降工况最 小为 3 6 。 详见表 1 O 。 72 表 9克林拱坝坝肩抗滑稳定计算成果 汇总表 计 计算 左坝肩抗滑稳 右坝肩抗滑稳 算 层 底 定安全 系数 定安全系数 工 高程 K值 K值 况 ( m) 分层计算 整体滑动计算 分层计算 整体 滑动计算 4 0 8 7 4 0 8 6 7 1 O 6 0 7 1 0 8 6 6 6 O ( 不参与统计) ( 不参与统计) ( 不参与统计) ( 不参与统计 ) 正 6 5 8 3 6 2 8 3 3 9 49 3 0 8 6 6 6 5 0 7 1 1 1 9 1 7 1 2 5 7 0 4 2 4 常 6 4 3 07 7 8 1 1 3 1 9 8 O 2 8 4 + 6 3 5 43 7 8 9 8 O O 1 8 4 温 6 2 7 7 9 3 7( 3 6 ) 6 8 8 9 0 1 3 7 降 6 2 0 1 4 4 1 5 8 7 2 O 1 0 3 平均值 1 O 4 1 4 0 1 9 8 3 3 3 最小值 3 7 5 8 7 2 1 O 3 4 6 7 6 6 6 0 9 6 9 6 4 6 7 6 5 8 3 6 1 O 4 7 8 1 9 1 2 4 9 校 6 5 0 7 1 8 8 7 3 1 8 3 2 O 5 核 6 4 3 0 7 7 3 6 8 1 6 5 l 7 7 + 6 3 5 4 3 6 7 6 3 7 4 1 3 3 温 6 2 7 7 9 3 6 5 2 8 1 1 0 7 升 6 2 0 1 4 3 9 4 7 6 5 8 7 平均值 7 2 6 8 1 7 5 2 O 4 最小值 3 6 4 7 6 5 8 7 表 1 0克林拱坝左坝肩最 危险层 ( 6 2 7 7 8 5 6 3 5 4 2 8 m) 稳定计算成果表 滑动面滑 出点 相应滑动面与 坝肩计算岩层抗滑稳定安全系数 Kf 至坝脚 距离 河道走 向的夹角 正常水位+温降 校核水位+温升 6 0 l 9 7 0 4 4 7 4 7 5 O 2 3 5 4 8 4 2 4 3 4 O 2 9 0 9 6 3 8 4 O 3 5 3 2 8 6 0 3 7 3 8 3 0 3 7 5 8 3 3 6 3 8 2 5 4 3 5 8 9 3 6 3 9 2 0 5 1 2 8 1 3 8 4 3 1 5 6 1 0 6 3 4 6 5 7 ( 3 ) 坝肩岩体抗滑稳定评价。 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 O 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 ； 特殊荷载时分层计算平 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 K 一3 ， 特殊荷载 K一2 5 。 右坝肩。正常荷载坝肩抗滑稳定安全系数分层 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 O 3 ； 特殊荷载时分层计算 平均值为 1 7 5 ， 最小值为 6 5 ； 整体滑动计算平均值 为 2 O 4 ， 最小值为 8 7 ； 均大于规范规定值正 常 荷 载 K一3 ，特殊荷载 K 一2 5 。 结论 。左 、 右坝肩抗滑稳定安全系数 K值均满 足规范要求 。 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 1年第 6 期 3 2 7 拱 坝传 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 O m 以上 ， 右 坝 肩在 6 4 7 O m 以上增设传力墩。 墩体基本受力数据 。根据应力计算结果整理， 传力墩体受力如下表。 左坝肩传力墩 6 5 6 O m正常荷载轴力 4 0 7 5 t m， 剪力 5 1 7 t m； 校核荷 载轴力 9 7 1 6 t m， 剪力为负 值取零计 。6 6 2 O m 正常荷载轴力 1 7 9 4 t m， 剪力 8 3 t m； 校核荷载轴力 9 0 5 2 t m， 剪力为 负值取零 计。6 6 6 0 m6 7 1 5 1 m正常荷载轴力由2 5 5 t m直线 渐变为零 ， 校核荷载轴力 由 8 5 1 4 t m 直线渐变为 零。将各段轴力 、 剪力平均值乘 以受力高度即得轴 力值 P 4 、 P 5 ； 剪力 Q4 、 Q 5 。 右坝肩传力墩 6 4 7 0 m正常荷载轴力 6 8 5 9 t m， 剪力 2 1 8 2 t m； 校 核 荷 载 轴 力 1 0 2 3 O t m， 剪 力 1 1 7 1 t m。6 5 6 O m 正 常 荷 载 轴 力 4 4 8 O t m， 剪 力 5 0 5 t m； 校 核 荷 载 轴 力 1 0 2 7 8 t m， 剪 力 1 1 2 t m。 6 6 2 O m正常荷载轴力 2 1 8 4 t m， 剪力 2 9 t m； 校核 荷载 轴力 8 5 5 4 t m， 剪力为 负值取零 计。6 6 6 0 6 7 1 5 1 m正常荷载轴力由 5 0 2 t m直线渐变为零 ， 校 核荷载轴力由 6 6 0 8 t m直线渐变为零。剪力为负值 取零计。将各段轴力 、 剪力平均值乘以受力高度即得 墩体轴力值 P 、 P 。 、 P 。 ； 剪力 Q1 、 Q 2 、 。 表 l l 拱 端单位高度范 围内轴 向力 ( 单位 ： t m) 正常+温降工况 校核+温升工况 高程 ( m) 左拱端 右拱端 左拱端 右拱端 66 6 0 2 5 5 5 0 2 8 5 1 4 6 6 0 8 6 6 2 0 1 7 9 4 21 8 4 9 0 5 2 8 5 5 4 65 8 4 31 7 9 3 71 5 9 5 4 1 1 0 3 0 5 65 6 0 4 07 5 4 4 8 0 9 7 1 6 1 0 2 7 8 6 5 O 7 6 03 2 61 5 1 1 0 0 9 9 1 0 2 1 7 6 47 0 7 6 3 3 6 8 5 9 1 1 O 0 2 1 0 2 3 0 6 4 3 1 9 3 3 8 7 6 1 3 1 1 9 6 3 1 0 24 4 表 l 2 拱 端单位高度范围 内剪力 ( 单位 ： t m) 正常 +温降工况 校核+温升工况 高程 ( m) 左拱端 右拱端 左拱端 右拱端 6 6 6 0 O O O O 6 6 2 0 8 3 2 9 0 0 6 5 8 4 1 5 8 5 5 O O 6 5 6 0 51 7 5 0 5 0 1 1 2 6 5 0 7 1 3 0 2 1 4 8 8 O 3 5 7 6 4 7 0 2 5 7 6 2 1 8 2 1 2 9 9 1 1 7 1 6 4 3 1 3 9 3 3 2 9 2 0 26 8 2 2 0 3 7 计算 成 果 。 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 0 t m2 ， 砂岩承载力为 6 0 0 t m2 。 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泥岩 允许 承 载力 的 4 O 。 上述计算表明， 左岸传力墩， 墩背单位面积受力 最大值为 8 3 0 4 t m ； 右岸传力墩， 墩背单位面积受 力最大值为 7 5 6 t m。 ； 均小 于 l O O t m 。因此， 传 力墩轴 向受力是稳定安全的。 墩体剪力( 顺河) 方向的抗滑稳定 。根据传力 墩的实际受力状况， 分别按轴力、 剪力两个方 向计算 墩体稳定。选取正常+温降、 校核+温升最不利荷 载组合作剪切( 顺河) 方 向稳定复核。 考虑拱端轴力、 墩背山体受力、 上游水推力 、 扬 压力、 墩体重量 、 剪力等 ， 按剪切公式计算不 同高程 墩体抗滑稳定 。计算表明 ， 墩体剪力 ( 顺河) 方 向的 抗滑定安全系 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 K一 1 O 5 ， 满足稳定要求 。 3 2 8 基 础处 理 坝基防渗采取帷幕灌浆 ， 坝肩裂隙较发育部位 采取固结灌浆、 挖除等工程措施处理 。 灌浆采用 2 3 m厚混凝土压重 ， 待混凝土强度 达到设计强度的 7 O 以上时开始钻灌 ， 帷幕灌浆按 3 个序孔逐渐加密的原则进行施工 ， 固结灌浆按 2 个序孔逐渐加密的原则进行 ， 自上而下分段钻灌 。 3 2 9 评 价结 论及 建议 ( 1 ) 拱坝最大拉应力为 1 1 9 8 MP a ， 小于混凝土 拱坝设计规 范 ( S L 2 8 2 -2 0 0 3 ) 规定 的容许 拉应 力 1 2 MP a ； 最大 压 应 力 为 2 7 9 5 MP a ， 小 于 C 2 0混 凝 土容许压应力 压一2 0 4 5 O MP a ( 即极 限抗压强 度除以安全系数 k一4 ) ； 满足规范要求 。 ( 2 ) 坝肩抗滑稳定系数 K满足规范要求。 ( 3 ) 传力墩剪力 ( 顺河) 方向的抗滑稳定 安 全系 数 K 最小值 ，左岸传力墩为 4 3 6 ； 右岸传力墩 为 1 9 6 。均大于规范值 K一 1 O 5 ， 满足规范稳定要求。 ( 4 ) 克林 拱坝左坝 肩边坡稳定 安全系数 K 一 1 1 0 ， 右 坝肩边 坡稳 定 安 全 系数 K 一 1 1 1 ， 略小 于 规范要求值 1 1 5 ， 考虑到高边坡护坡加固处理工程 浩大 ， 技术难度及工程造价均较高。边坡表土层 即 便在开挖区产生局部滑坡 ， 不至于危及大坝安全 ， 及 时清理 即可 。 滑过之后的坡度会 自然趋缓 ， 有利于边坡稳定 。 适时种植草皮护面的处理方法是可行的。 7 3 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 1 年 第 6期 3 3泄 洪建 筑物 及消 能 防冲工 程设 计 3 3 1 工程 地质 条件 泄洪消能区， 河床狭窄， 两岸边坡高 陡， 河床 为 向斜轴部 ， 自然坡角与岩层倾角基本一致 ， 岩性主要 为砂岩夹泥岩 ， 岩体较破碎， 允许抗 冲流速较低 ， 若 冲坑过深 ， 两岸边坡不采取有效的加固措施 ， 极易造 成两岸边坡失稳， 从而减少两岸拱座岩体的厚度 ， 对 拱 坝稳 定 不利 。 3 3 2设计 标 准 消能防冲工程设计洪水标准为 3 O年一遇洪水。 3 3 3 工程 布置 本工程消能采用挑流消能。泄洪建筑物有溢流 堰 、 冲沙孔等。 溢 流坝布置在拱坝 中部主河道位置， 堰顶高程 6 6 6 m， 进 口净 宽 4 0 m， 堰 剖 面 为 WE S实 用 堰 ， 无 闸 门控制 ， 采用挑流消能 ， 挑坎高程 6 6 0 2 6 m。 冲沙孔布置在溢流坝左孔 ， 采用潜孔式进 口， 孔 径 2 O m， 孔底高程 6 2 4 m， 冲沙孔 轴线与坝轴 线相 垂直 ， 出溢流坝后转弯 3 0 。 拐向主河道。 3 3 4体 型设 计 溢 流 堰 选 用 WE S堰 型 。设 计 水 头 取 H 一 3 7 4 m， 堰 面 曲线 ： t ， X 。 X 。 2 H o 6 1 3 7 20 8 上游人 口曲面半径 R 一0 5 Hd1 8 7( m)b 一 0 1 7 5 Hd一 0 6 5 4 ( m) R 2 0 2 = ： = 0 7 4 8( m) b 2 0 2 7 6 Hd 一 1 0 3 2 ( m) R3 0 0 4 H d= 0 1 5 0 ( m) b 3 0 2 8 2 Hd 一 1 05 4( m ) 反弧半径 ： R一0 5 a 1 综合考虑挑臂长度及挑坎高度等 因素， 取 R 一 3 5 3 2m 。 根据水工模型试验 ， 挑射角选择 一9 。 ， 挑坎高程 为 6 6 0 2 6 m。此外 ， 在距堰顶 3 4 m 处在堰 面上布 设一 排 三 角 形 分 流 墩 ， 墩 前 端 高 0 9 m， 末 端 高 3 7 9 5 m， 墩顶 面仰 角 6 4 8 。 ， 墩 长 2 4 m， 墩 尾宽 度 2 0 m， 沿堰面共布置 1 0个整墩、 6 个半墩 。 3 3 5 下游消能防冲工程 拱坝消能计算。拱坝挑流消能计算采用理正岩 土计算软件的消能计算程序。 ( 1 ) 功能 ： 根据鼻坎处作用水头 、 下游水位 、 水 深 、 挑角等 ， 可计算挑流初速 、 鼻端水深 、 反弧段半 径 、 挑流射程及冲刷坑深度等 。 ( 2 ) 公 式 。 7 4 最大冲坑水垫厚度 t = gq。 H 。 最 大 冲坑 深度 T t h 计算水舌抛距 L 一吉 鼢8 + 伽 8 丽 ( 3 ) 成果。挑流消能以冲坑深度 T与挑距 L的 1 比值 T L小于作为衡量安全的指标。 计算表明， 当不设 二道坝时 ， 校 核流量 相应 的 T L大 于 0 2 5 ， 设 置 二 道 坝 后 ， 下 游 水 深 为 1 9 O l m， T L= = 0 2 0 2 ， 满足要求。根据本工程 消能防冲区的地质条件以及水工模型试验成果， 在 拱坝下游 1 3 6 m设带戽式消力池的混凝土二道坝。 工程布置。二道坝坝顶高程按校核洪水位情况 计算 ， 根据水工模型试 验成果 ， 上游校核洪水 位为 6 3 3 7 2 m， 超高计算得 0 7 1 m， 因此挡水坝坝顶高程 确定为 6 3 4 4 3 m， 坝顶宽 5 7