口上水库混凝土重力坝设计探析.pdf

13 上水库混凝土重力坝设计探析 李薇 ( 山西水务投资集团有限公司 山西 太原0 3 0 0 0 2 ) 摘要 水利工程建设对农业生产和经济发展有着重要影响， 水库大坝设计是水利工程建设主体。本文 根据 口上水库的实际地质背景， 以混凝土重力坝为坝型设计， 对大坝坝体进行稳定性计算以及 坝基设计 。 关键词 坝体； 结构； 稳定性 中图分类号： T V 6 4 2 ． 3 文献标识码： B 1工 程概 况 口上水库位于昔阳县东部东冶头镇 口 上村南 l k m处 。 工程建成后 ， 每年可为昔阳 县城乡生活及工业供水 7 7 3 万 m ，发展灌 溉面积 1 万亩， 灌溉用水 2 1 3 万 m ， 还可保 护下游 1 个村庄 4 0 0 0 人的防洪安全。 口上水库拦河大坝采用 堆石混凝 土重 力 坝 ， 最大 坝 高 5 8 ． 4 m， 总库 容 4 9 5万 m ， 输水工程设计引水流量 0 ．5 7 m 3 ／ s 。按 3 0年 一 遇洪水 标准 设计 大坝和 泄水建 筑物 ， 并 按 2 0 0年一遇洪水标准校核，主要建筑物 按 4级设 计。导流建筑物按 1 1月 ～次年 3 月 2 0 ％洪水标 准控制设计 ，汛期导 流洞和 坝面联合泄洪。 2混凝土重力坝布置及结构 大坝采用实体重力坝，河床段为溢流 坝段， 两岸为非溢流坝段。 进水口结合引水 线路方案布置在右岸非溢流坝段内，冲砂 放空管布置在进水 口旁靠近河床部位 ， 底 板高程 比进水 口低 3 m。下游坝坡根据稳定 和应力要求 并结合上游 坡选定在 高程 5 3 8 ． 5 0 m以下为 1： 0 ． 7 ， 高程 5 3 8 ． 5 0 m以上 为铅直面 。 溢流坝段上游坝坡布置同非溢流坝 段 ，在高程 5 1 4 ． 0 0 m 以下 为 1： O ． 1 ，高 程 5 1 4 ．0 0 m以上为铅直面。 下游坝坡结合堰面 曲线布置， 其中陡坡段坡比 1 ： 0 ． 8 ， 跟非溢 流坝段下游坝坡坡 比一致。 3重力坝坝体参数设计 在进行坝体参数设计时，要综合考虑 泄洪建筑物布置 ， 对引水、 泄洪、 排沙、 放空 等建筑物枢纽布置 ， 避免相互干扰。 3 ． 1 坝顶宽度 根据 本工 程规模 、 坝体 应力 计算及 已 建工 程 经验 ，本 阶段 设 计 坝顶 宽度 取 为 4．0m。 3 ． 2坝顶高程 坝顶在最高水位以上的超高， 由公式： Ah = h6 + + 式中， △ ——防浪墙顶与水库正常蓄水位 或校核洪水位的高差， m； ^ 厂 一 波 高， m； ^ ——波浪中心线至水库正常蓄水 位或校核洪水位的高差 ， m； ^ —黄 全超 高 ，正 常蓄水 位取 0 ． 4 m， 校核洪水位取 0 ． 3 m。 由工 程 资 料 ，正 常 蓄 水 位 风 速 2 1 ． 1 5 m 3 ／ s ； 校 核 洪 水 位 计 算 风 速 为 1 4 ． 1 m 3 ／ s 。 吹程 D = 1 0 0 0 m。 计算结果 ， 取坝顶 高程为 5 4 3 ．5 0 m。 3 - 3坝底高程 河床深槽部位采用 C 2 0埋石混凝土 进行 回填， 作为大坝建基面 ， 其中大坝防 渗帷幕 附近 为 C 2 0混凝土 。深槽最低开挖 高程为 4 8 5 m，回填深槽顺河向长度为上 游比大坝轮廓线宽 2 ． 0 m， 下游至 C 2 5 钢筋 混凝土护坦部位， 总长 5 9 ． 1 4 m 。采用基础 回填后 ， 大坝最低建基面高程为4 9 9 ． 0 0 m， 最大坝高4 4 ． 5 m。 3 ． 4坝底宽度 根据上 、 下游坝坡 布置 ， 大坝最 大底 宽 位于河床溢流坝段， 为4 1 ． 1 m 。 3 ． 5坝体防渗和排水 坝体为 C 2 0 埋石混凝土结构 ，虽采用 机械震实， 但仍应考虑防渗止水措施 ， 本坝 拟定采用 C 2 5钢筋混凝 土作 为防渗处理措 施， 其优点是便于施工， 能和堰面及坝底钢 筋混凝土连接成一个整体，对大坝整体结 构有利 。 为减少坝体渗透压力，增强坝体稳定 性 ， 在坝体 内设 排水系统 ， 竖 向排水 采用无 砂混凝土管， 置于坝轴线下 O ． 6 5 m位置上， 内径为 1 2 0 mm， 壁厚 6 0 mm， 间距 3 m。河床 达到两个方面的要求 ，一是保证管道的顺 利安装 ，管道 的承载能力必须满 足施工段 的强度需求 ， 适应不同土质条件下的工程 施工；二是要确保施工中不会对上方的构 筑物造成破坏或形成安全隐患。西南区工 业园4 # , 7 J ~ I程 要穿越 S 1 0 2线 ， 两趟顶进管 路在施工中并没有出现地面沉陷或裂缝， 管道顶进安装结 束后管道也没有 出现变形 破坏， 施工效果良好。陕西水利 参考文献 [ 1 ] 黄 吉龙． 大 口径玻璃钢 夹砂 顶管 室内试 验与数值分析[ D ] ． 上海交通大学， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 李勇其． 中小管径玻璃铜夹砂管的顶管 施 工 技 术卟中 国 给 水 排 水 ， 2 0 1 0 ， 1 0 ： 1 5 0 -1 5 2 ． [ 3 】 李军红． 钢筋混凝土管顶管施工技术U ] ． 山西建筑， 2 0 0 9 ， 3 6 ： 1 4 2 — 1 4 3 [ 4 ] 任艳 荣， 刘玉 标， 顾 小芸 ． 用 A B AQUS 软件 处理 管土相 互作 用 中的接触面 问题U ] ． 力学与实践， 2 0 0 4 ， ( 2 6 ) ： 4 2 — 4 8 ． 【 5 】 朱向荣， 王金昌． A B A Q US 软件中部分 土模 型简介及 其 工程应 用 Ⅱ ] ．岩 土 力学， 2 0 0 4 ， ( 2 5 ) ： 1 4 4 — 1 4 8 ． ( 责任编辑 ： 黄灵芝 ) U U C 两个坝块 的 向排水管接 入廊道 内，其 他坝 块采用 横向排水管 与竖向排水管接通 ，通过 横 排水管将水排 r 口 J 下游 。另外 由于河床两 个坝块扬压力最大 ，拟在帷幕后设一排排水 孔 ， 排水 孔顶部 与廊道 排水沟相连 ， 底 部高程 4 7 0．O m 。 3 ． 6坝体断面设 计 根据上述确定的坝顶宽度、 坝顶高程及 最低 建基面高稗 ，初拟上游坝坡 在高程 5 l 4 ． O O m 以下 为 1： 0 ． 1 ， 高 程 5 1 4 ． O O m 以上 为铅 面 。_ 溢 流坝 段 的下 游 坝坡 在 高程 5 3 8 ． 5 0 m 以 F为 1： 0 ． 7， 离 程 5 3 8 ． 5 0 m 以 为铅 直 面 ．． 溢流 坝段采刷 坝顶有 闸控 制圩敞 式 溢 流 表 孔 ， 净 宽 2 4 ． O O m， 堰 顶 高 程 5 3 2． 0 0 I 、 4坝体抗滑稳定性设计 为 r校核 大坝坝体稳定性是 否满足设 计 规范要求， 对坝体应力进行计算。坝体抗滑稳 定性设计 主要考虑两种T况下 ： 设计水位 、 校 核水位。抗滑稳定采用《 混凝土重力坝设计规 范》 中公式计算 ： 孚 式 中， ——坝踵 、 坝趾 垂 直应力 ， k P a ； ∑ ．} H 于坝 段 } 二 或 1 m坝长 上全 部荷载在坝基截面 卜 法向力的总和 ， k N； yM — —作用于坝段 上或 l m坝 长 t全 部荷载对坝基截面彤心轴的力矩 总和 ， k N m。 A ——坝 段或 l m坝长的坝基截面积 ， I l l ； x——坝基截而 f ： 计算点到形心轴的距 离， n 1 ； J —— 坝段或 l m坝 长 的坝基 截面 对形 心轴 的惯性矩 ， F Ill 。 汁算结果 如 F： ( 1 ) 设计 水他 ： ⋯ = 1 2 8 ． 1 0 ( k P a ) ⋯- a 篓 = 6 ( k P a ) ， 说明尤 j j ( 2 ) 校核水位 ： 一 = 9 c k P a ) ⋯ = ( k P a ) 删无 ) 一 l 3 计算结 果表 明 ：坝 疑最大 应力在设计 水 位 况 下坝趾处 产： 生 ， 为 2 6 0 ． 1 6 k P a ， 地基 应 力 汁箅结 果均小 于地基 承载力 1 ． 2 MP a ， 抗 滑 稳定安 全系数成果满足设 i 1 ’ 规范要求 。 4坝基处理设计 4 ． 1 坝基 固结灌浆 为了弥补建基面下一定深度范围内的工 程地质缺陷以及开挖所造成的爆震影响， 提高 基岩的弹性模量和抗压强度， 增强基岩的整体 性和耐久性 ， 拟对重力坝基础进行全面的固结 灌浆。圃结灌浆的浆液为水泥浆， 灌浆孔距为 3 m， 排距为 3 m， 梅花形布置 。河床部位深入基 岩 8 m，并在有混凝土盖重大于 3 m的情况下 钻灌， 以提高灌浆压力， 确保灌浆效果。 由于两 岸岸坡较陡 ， 拟结合坝肩陡壁基面固结 灌浆进 行接触灌浆 ， 采用预埋管法进 行灌浆 。灌浆孔 深 8 m，坝 基 固 结 灌 浆 孔 共 2 8 4个 ，钻 孔 2 2 7 2 m， 灌浆总进尺 1 9 8 8 m。 4 ． 2防渗设计 为了 减少坝基和绕坝渗漏， 降低坝基地下 水渗透鹾力 ， 防止渗透变形破坏， 坝基必须设 置防渗帷幕。 根椐坝址工程地质和水文地质条 件， 大坝帷幕分别从左、 右坝头垂直向山体 内 直线延伸一定长度， 下限落在一定深度的相对 不透水岩体 I 二 ， 采用悬挂式帷幕。 ( 1 ) 大坝防渗设计标准 按照《 混凝土重力坝设计规范》 ， 工程大 坝 帷幕 防 幕标 准 为相 对隔 水 层透 水 率不 大 于 5 L u。 ( 2 ) 防渗帷幕设计 根据地质钻孔试验报告 ， 坝基渗流控制建 议采用“ 上阻下排” 的措施， 防渗帷幕深度可按 吕荣值 q < 5 L u 确定，并深入此控制高程以下 不少于 5 m 。 根据上述原则， 坝基河床帷幕深度 为 2 5 m， 左右坝肩帷幕深度为 2 8 m ～ 3 5 m 。 帷幕 沿坝轴线布置 ， 采用悬挂式帷幕。灌浆在坝内 廊 道进行 ， 采 双排帷 幕布置 ， 孔距 2 ．5 m， 排 距 1 ． 1 m， 每排孔按三序逐渐加 密施工 。 为解决河床段及部分岸坡段帷幕灌浆 ， 大 坝在高程 5 0 6 ． 5 ．O O m设有一条基础灌浆廊道 兼作为排水廊道 ，断面尺寸为 2 ． 5 m 3 ．5 m ( 宽 高 ) 。 进 水 口及 冲沙闸部位 的帷幕灌浆在 基础混凝 土浇筑完后 ， 先进 行灌浆 ， 然 后开始 进水| ] 施工； 其余坝段的帷幕灌浆从坝顶钻孔 至坝基施工。 两岸坝 肩帷幕 尚应按混 凝土坝 常规设计 向坝外延伸一定距离 ， 局部断层带、 裂隙密集 带以及岩溶发育地方其防渗帷幕应适当加深 加密。 初步拟定在坝顶高程左右岸各设一条灌 浆平洞， 平洞尺寸 2 ． O m 3 ． 5 m ( 宽 高) ， 方向 与河 流基本垂直 ， 左右岸 长度均为 5 0 m， 采用 烈排帷幕布置， 孔距2 ．5 m， 排距 1 ． 1 m， 每排孔 按三序逐渐加密施工 。钻孔 7 4 7 2 m， 帷幕总进 6 21 8 m 。 ( 3 ) 坝肩 、 坝基排水 为了降低防渗帷幕下游坝肩处的渗透 力 ， 增 加两岸岩体 的稳定性 ， 防 止坝基承载力 的减低 ， 拟在帷幕后 设一道排水幕。河床坝块 的基础廊道内防渗帷幕下游设有 一 排坝基排 水孔 ， 孔距为 3 ．O m， 排水孔的深度⋯ 般为防渗 帷幕深度的0 ． 4 ～ 0 ． 6 倍。坝体设竖 排水管， 排水 管采用无砂砼 管 ( 内径 中1 2 0 ram，外 径 q b 2 4 0 mm) ， 间 距 3 ． O re， 河 床溢 流坝 块段 将 渗 水排入廊道， 再由集水井排出坝下游外， 非溢 流坝块采用横向排水管与竖向排水管相接， 引 至下游坝外 。 5结 语 本文通过对水库大坝的参数没计 ，确定 了混凝 土重 力坝 的各 项施 工参数 和指 标 ， 为 重力坝建设提供了设计基础。通过坝体稳定 性应力计算 ， 增强 了工程 的质量和安全性 。 水 利工程大 坝建设是一项重要 工程 ，行 业人员 应进一步加大力度进行研究。陕西水利 参考文献 [ 1 1 李晶， 贾 金生， 汪洋， 杨会 臣 关于混凝土重力 坝 断面设 计的探 讨U 1水利水 电技 术， 2 0 1 3 ， 0 7 ： 3 4 -3 8 ． f 2 1陆华盘县 岔河水库 工程 混凝土重 力坝优 化设计研 究【 】 】 ． 科技创新 与应 用， 2 0 1 4 ， 1 9 ： 1 9 7 龚常青， 谭剑 波 猫 洞河水库 混凝土重 力坝 优化设计 水利科技 与经济， 2 0 1 4 ， ( ) 8 ： 5 2 — 5 4 ． [ 4 】 焦爱 萍， 杨 道 富 新 《 混 凝土 重 力坝设计 规 范》 的结构计 算探 析 [ 『 ]黄河 水利职业技 术学 院学报， 2 0 0 7 ， 0 1 ： 卜 3 + 2 4 ． ( 责任编辑 ： 黄 灵芝 )