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【摘 要】 随着我国经济建设不断深化，水利行业随着发展的需要而兴起，水库大坝设计水平逐渐提升，同时对设计人员的设计水平要求也越来越高。文章主要是结合云南省富宁县内吉水库拱坝的设计及计算进行分析、探讨，以便在此同类型的工程中能更好的完成设计任务。
【关键词】 富宁县内吉水库;拱坝设计及计算
一、工程概述
2008年6月7日在富宁县境内罗富高速公路下行线K27+800处发生因交通事故造成粗酚泄漏污染者桑河，事故造成富宁县剥隘集镇居民和随镇农村安置点饮用水不能从受污染水体下游的百色水库提水饮用，致使剥隘集镇居民和机关单位饮用水紧缺。加之百色水库上游罗富高速公路者桑段属交通事故多发段，为避免剥隘集镇饮用水源再受危险化学品污染的影响，必须另选水源解决剥隘集镇长期安全供水问题。为此，州、县水务部门在剥隘集镇周边进行实地踏勘，寻找新的水源，最后选取扩建者桑内吉水库（已建病险水库）作为剥隘集镇的长期供水水源。
内吉水库为一座小坝塘，原大坝为砌石坝，坝高14.0m，本次设计在老坝体前加坝，根据水文及规模计算，水库扩建后大坝最大坝高为25.0m，坝型为埋石混凝土拱坝。
扩建后的内吉水库是一个以乡镇供水为主的小（2）型水库，位于富宁县者桑乡西部，坝址位于那马河下游右岸的一级支流上游，距离者桑乡直线距离8.2km，水库坝址以上控制面积5.50km2，河长3.54km，河床比降16.88%。水库总库容14.10万m3;河坝最大坝高：25.00m;水库规模为小（2）型水库，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，大坝设计洪水标准：30年一遇（P=3.3%）;工程区地震基本烈度为Ⅵ度，根据《水工建筑物抗震设计规范》DL5073-1997，主要建筑物按基本烈度Ⅵ度设防。
二、内吉水库大坝设计
内吉水库枢纽工程由拦河坝、坝顶溢流堰、放水涵管和冲沙管组成。拦河坝坝型为埋石混凝土拱坝，紧靠老坝坝体前布置，坝顶高程623.000m，大坝建基高程598.000m，最大坝高25.0m;溢流堰布置于坝顶中部，堰宽12.0m，布置为3孔，最大下泄流量为36.79m3/s。为便于下游取水，于大坝右岸坝体布置一放水涵管，涵管进口底板高程610.570m，涵管直径500mm，长12.1m，管中分出两管径为DN200支管，分别为人饮取水管和备用管。为考虑冲沙，于大坝右岸坝体布置一冲沙涵管，涵管进口底板高程608.570m，涵管直径800mm，长11.9m，出口设有闸阀控制。
根据地形地质条件，坝线位置地形呈“V”型，就地形、地质特点，大坝坝型确定为混凝土单曲拱坝，拱圈外圆半径R=55.00m，最大中心角2φA=97°02′55″，符合规范规定之75°～110°的要求，坝顶轴线长93.160m，大坝各层拱圈参数如表1所示。
表1 内吉水库大坝各层拱圈参数表
编号 拱圈
高程（m） 左中心角
（°） 右中心角
（°） 拱圈
外径（m） 拱圈
内径（m） 拱圈
厚度（m） 备注
0 623.00 47°30′14″ 49°32′41″ 55.000 52.500 2.500
1 619.50 44°07′06″ 46°48′55″ 55.000 51.590 3.410
2 616.00 39°02′26″ 42°43′18″ 55.000 50.680 4.320
3 612.50 33°57′46″ 38°37′39″ 55.000 49.770 5.230
4 609.00 28°53′05″ 34°11′22″ 55.000 48.860 6.140
5 605.50 23°48′25″ 28°05′52″ 55.000 47.950 7.050
6 602.00 18°43′44″ 22°00′22″ 55.000 47.040 7.960
7 598.00 13°39′04″ 15°54′53″ 55.000 46.000 9.000
三、大坝应力分析计算
（一）计算方法
根据以上确定的拱坝结构，进行应力分析计算，应力分析方法采用拱梁分载法，采用《水利水电工程设计计算程序集——考虑扭转作用的拱冠梁法》进行计算。
（二）计算参数确定
根据工程布置及大坝基础地质条件，参照类似工程，大坝应力计算参数如表2所示：
表2 内吉水库大坝应力分析计算参数表
名称 单位 计算参数 备注
校核洪水位 m 622.490
设计洪水位 m 622.170
正常蓄水位 m 621.700
死水位 m 611.770
冲沙孔底板高程 m 608.570
坝顶高程 m 623.000
建基面高程 m 598.000
延长系数 0.5 基础变形计算中的延长坝高法
淤沙浮容重 KN/m3 8.5
淤沙磨擦角 ℃ 20
热膨胀系数 1/℃ 1×10-5
混凝土弹性模量 KN/m2 2×107
基岩弹性模量 KN/m2 1×107
（三）计算结果
本次设计将大坝分为7层（各层参数详见内吉水库大坝各层拱圈参数表），根据拱梁分载法的分析计算原理，采用《水利水电工程设计计算程序集——考虑扭转作用的拱冠梁法》进行计算。内吉水库大坝校核洪水位和正常蓄水位工况下的应力计算结果如表3、表4所示。 表3 校核洪水位情况大坝应力计算成果及分析结果表
编号 拱圈高程（m） 悬臂梁应力（KN/m2） 拱冠应力
（KN/m2） 拱座应力
（KN/m2） 应力控制指标（KN/m2） 分析结果
上游面 下游面 上游面 下游面 上游面 下游面
0 623.00 0.00 0.00 2151.10 1453.20 1157.31 2494.45 主压应
力为5667Kpa
主拉应力为1500Kpa 大坝应力计算成果均满足要求
1 619.50 96.30 49.35 2056.50 975.10 521.26 2614.18
2 616.00 151.03 115.25 1835.00 460.40 -110.60 2572.23
3 612.50 81.63 296.86 1562.70 12.60 -620.28 2425.23
4 609.00 -78.00 566.81 1141.00 -243.40 -795.99 1937.41
5 605.50 -313.32 914.39 644.90 -285.80 -648.30 1198.01
6 602.00 -616.51 1334.44 230.70 -144.80 -286.96 460.76
7 598.00 -1066.88 1929.06 10.80 -8.10 -14.97 22.99
表4 正常蓄水位情况大坝应力计算成果及分析结果表
编号 拱圈高程（m） 悬臂梁应力
（KN/m2） 拱冠应力
（KN/m2） 拱座应力
（KN/m2） 应力控制指标（KN/m2） 分析
结果
上游面 下游面 上游面 下游面 上游面 下游面
0 623.00 0.00 0.00 2062.80 1393.50 1109.79 2392.03 主压应力为4857Kpa
主拉应力为1200Kpa 大坝应力计算成果均满足要求
1 619.50 93.64 52.07 1973.90 935.90 500.32 2509.15
2 616.00 156.97 109.15 1763.60 248.20 -106.30 2472.16
3 612.50 100.54 277.32 1504.20 -111.10 -597.07 2334.49
4 609.00 -46.80 534.36 1100.00 -261.00 -767.44 1867.92
5 605.50 -271.09 870.19 622.70 -207.20 -625.98 1156.76
6 602.00 -564.62 1279.78 223.00 -68.70 -277.38 445.38
7 598.00 -1003.99 1862.32 10.40 -4.10 -14.40 22.11
从以上成果分析表明大坝拱座内力及应力是安全可靠的。
（四）大坝抗滑稳定分析计算
根据工程规模和地质条件，采用刚体极限平衡法进行平面稳定分析，计算坝肩岩体稳定安全系数。
平面稳定分析安全系数按下式计算：
式中：——稳定安全系数
——拱端传来的轴力（KN）
——拱端传来的剪力（KN）
——法向力（KN）
——滑移面上的反力（KN）
——底部滑移面上的反力（KN）
——滑移面上的渗压力（KN）
——滑裂面顶底两面的渗压力差值（KN），可近似取为0
——悬臂梁自重和滑袭面自重（KN）（为简化计算滑裂面自重可不计）
——侧向滑移面的磨擦系数，取0
——上、下岩石间的磨擦系数，取1.1
——侧向滑移面单位面积上的粘聚力（KPa）
——上、下岩石间的单位面积粘聚力（KPa）
——侧向滑移面长度（m）
——岸坡角（°）
——侧滑面的倾角（°）
——滑裂面与轴力之间的水平夹角（°）
计算中将大坝分为7层进行计算，根据大坝布置及以上取值，计算得校核洪水位和正蓄水位情况各层拱圈坝肩稳定安全系数如表5、表6所示。
表5 校核洪水位情况大坝稳定计算成果表
编号 拱圈高程（m） 稳定安全系数Kc 稳定安全系数规范规定值 备注
左坝肩 右坝肩
0 623.00 96.89 92.45 2.50 各拱圈左右坝肩稳定满足规范要求
1 619.50 46.55 34.82
2 616.00 21.89 16.09
3 612.50 11.43 8.11
4 609.00 6.47 5.29
5 605.50 3.54 3.83
6 602.00 8.08 4.87
7 598.00 45.21 33.56
表6 正常蓄水位情况大坝稳定计算成果表
编号 拱圈高程（m） 稳定安全系数Kc 稳定安全系数规范规定值 备注
左坝肩 右坝肩
0 623.00 99.98 95.35 3.0 各拱圈左右坝肩稳定满足规范要求
1 619.50 48.30 36.08
2 616.00 22.87 16.84
3 612.50 12.06 8.61
4 609.00 6.95 5.73
5 605.50 4.00 4.30
6 602.00 9.02 5.70
7 598.00 57.06 44.95
从坝肩稳定计算成果看，坝肩岩体稳定安全系数均能满足规范要求。
内吉水库大坝从2010年建成至今，已正常运行3年多，大坝未发现裂缝、位移等危及大坝安全的现象，大坝的结构拟定及计算成果表明大坝的设计是成功的。
三、结束语
在水利工程建设中，主体大坝的设计是工程的关键，也是保障工程最终顺利投入使用的重要前提，因此设计工作必须对设计人员进行严格要求，无论是在专业知识上和设计经验上。所以我们应该不断的提升自己的专业知识，并结合实际情况进行分析探讨，从而更好的做好这一工作。
【关键词】 富宁县内吉水库;拱坝设计及计算
一、工程概述
2008年6月7日在富宁县境内罗富高速公路下行线K27+800处发生因交通事故造成粗酚泄漏污染者桑河，事故造成富宁县剥隘集镇居民和随镇农村安置点饮用水不能从受污染水体下游的百色水库提水饮用，致使剥隘集镇居民和机关单位饮用水紧缺。加之百色水库上游罗富高速公路者桑段属交通事故多发段，为避免剥隘集镇饮用水源再受危险化学品污染的影响，必须另选水源解决剥隘集镇长期安全供水问题。为此，州、县水务部门在剥隘集镇周边进行实地踏勘，寻找新的水源，最后选取扩建者桑内吉水库（已建病险水库）作为剥隘集镇的长期供水水源。
内吉水库为一座小坝塘，原大坝为砌石坝，坝高14.0m，本次设计在老坝体前加坝，根据水文及规模计算，水库扩建后大坝最大坝高为25.0m，坝型为埋石混凝土拱坝。
扩建后的内吉水库是一个以乡镇供水为主的小（2）型水库，位于富宁县者桑乡西部，坝址位于那马河下游右岸的一级支流上游，距离者桑乡直线距离8.2km，水库坝址以上控制面积5.50km2，河长3.54km，河床比降16.88%。水库总库容14.10万m3;河坝最大坝高：25.00m;水库规模为小（2）型水库，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，大坝设计洪水标准：30年一遇（P=3.3%）;工程区地震基本烈度为Ⅵ度，根据《水工建筑物抗震设计规范》DL5073-1997，主要建筑物按基本烈度Ⅵ度设防。
二、内吉水库大坝设计
内吉水库枢纽工程由拦河坝、坝顶溢流堰、放水涵管和冲沙管组成。拦河坝坝型为埋石混凝土拱坝，紧靠老坝坝体前布置，坝顶高程623.000m，大坝建基高程598.000m，最大坝高25.0m;溢流堰布置于坝顶中部，堰宽12.0m，布置为3孔，最大下泄流量为36.79m3/s。为便于下游取水，于大坝右岸坝体布置一放水涵管，涵管进口底板高程610.570m，涵管直径500mm，长12.1m，管中分出两管径为DN200支管，分别为人饮取水管和备用管。为考虑冲沙，于大坝右岸坝体布置一冲沙涵管，涵管进口底板高程608.570m，涵管直径800mm，长11.9m，出口设有闸阀控制。
根据地形地质条件，坝线位置地形呈“V”型，就地形、地质特点，大坝坝型确定为混凝土单曲拱坝，拱圈外圆半径R=55.00m，最大中心角2φA=97°02′55″，符合规范规定之75°～110°的要求，坝顶轴线长93.160m，大坝各层拱圈参数如表1所示。
表1 内吉水库大坝各层拱圈参数表
编号 拱圈
高程（m） 左中心角
（°） 右中心角
（°） 拱圈
外径（m） 拱圈
内径（m） 拱圈
厚度（m） 备注
0 623.00 47°30′14″ 49°32′41″ 55.000 52.500 2.500
1 619.50 44°07′06″ 46°48′55″ 55.000 51.590 3.410
2 616.00 39°02′26″ 42°43′18″ 55.000 50.680 4.320
3 612.50 33°57′46″ 38°37′39″ 55.000 49.770 5.230
4 609.00 28°53′05″ 34°11′22″ 55.000 48.860 6.140
5 605.50 23°48′25″ 28°05′52″ 55.000 47.950 7.050
6 602.00 18°43′44″ 22°00′22″ 55.000 47.040 7.960
7 598.00 13°39′04″ 15°54′53″ 55.000 46.000 9.000
三、大坝应力分析计算
（一）计算方法
根据以上确定的拱坝结构，进行应力分析计算，应力分析方法采用拱梁分载法，采用《水利水电工程设计计算程序集——考虑扭转作用的拱冠梁法》进行计算。
（二）计算参数确定
根据工程布置及大坝基础地质条件，参照类似工程，大坝应力计算参数如表2所示：
表2 内吉水库大坝应力分析计算参数表
名称 单位 计算参数 备注
校核洪水位 m 622.490
设计洪水位 m 622.170
正常蓄水位 m 621.700
死水位 m 611.770
冲沙孔底板高程 m 608.570
坝顶高程 m 623.000
建基面高程 m 598.000
延长系数 0.5 基础变形计算中的延长坝高法
淤沙浮容重 KN/m3 8.5
淤沙磨擦角 ℃ 20
热膨胀系数 1/℃ 1×10-5
混凝土弹性模量 KN/m2 2×107
基岩弹性模量 KN/m2 1×107
（三）计算结果
本次设计将大坝分为7层（各层参数详见内吉水库大坝各层拱圈参数表），根据拱梁分载法的分析计算原理，采用《水利水电工程设计计算程序集——考虑扭转作用的拱冠梁法》进行计算。内吉水库大坝校核洪水位和正常蓄水位工况下的应力计算结果如表3、表4所示。 表3 校核洪水位情况大坝应力计算成果及分析结果表
编号 拱圈高程（m） 悬臂梁应力（KN/m2） 拱冠应力
（KN/m2） 拱座应力
（KN/m2） 应力控制指标（KN/m2） 分析结果
上游面 下游面 上游面 下游面 上游面 下游面
0 623.00 0.00 0.00 2151.10 1453.20 1157.31 2494.45 主压应
力为5667Kpa
主拉应力为1500Kpa 大坝应力计算成果均满足要求
1 619.50 96.30 49.35 2056.50 975.10 521.26 2614.18
2 616.00 151.03 115.25 1835.00 460.40 -110.60 2572.23
3 612.50 81.63 296.86 1562.70 12.60 -620.28 2425.23
4 609.00 -78.00 566.81 1141.00 -243.40 -795.99 1937.41
5 605.50 -313.32 914.39 644.90 -285.80 -648.30 1198.01
6 602.00 -616.51 1334.44 230.70 -144.80 -286.96 460.76
7 598.00 -1066.88 1929.06 10.80 -8.10 -14.97 22.99
表4 正常蓄水位情况大坝应力计算成果及分析结果表
编号 拱圈高程（m） 悬臂梁应力
（KN/m2） 拱冠应力
（KN/m2） 拱座应力
（KN/m2） 应力控制指标（KN/m2） 分析
结果
上游面 下游面 上游面 下游面 上游面 下游面
0 623.00 0.00 0.00 2062.80 1393.50 1109.79 2392.03 主压应力为4857Kpa
主拉应力为1200Kpa 大坝应力计算成果均满足要求
1 619.50 93.64 52.07 1973.90 935.90 500.32 2509.15
2 616.00 156.97 109.15 1763.60 248.20 -106.30 2472.16
3 612.50 100.54 277.32 1504.20 -111.10 -597.07 2334.49
4 609.00 -46.80 534.36 1100.00 -261.00 -767.44 1867.92
5 605.50 -271.09 870.19 622.70 -207.20 -625.98 1156.76
6 602.00 -564.62 1279.78 223.00 -68.70 -277.38 445.38
7 598.00 -1003.99 1862.32 10.40 -4.10 -14.40 22.11
从以上成果分析表明大坝拱座内力及应力是安全可靠的。
（四）大坝抗滑稳定分析计算
根据工程规模和地质条件，采用刚体极限平衡法进行平面稳定分析，计算坝肩岩体稳定安全系数。
平面稳定分析安全系数按下式计算：
式中：——稳定安全系数
——拱端传来的轴力（KN）
——拱端传来的剪力（KN）
——法向力（KN）
——滑移面上的反力（KN）
——底部滑移面上的反力（KN）
——滑移面上的渗压力（KN）
——滑裂面顶底两面的渗压力差值（KN），可近似取为0
——悬臂梁自重和滑袭面自重（KN）（为简化计算滑裂面自重可不计）
——侧向滑移面的磨擦系数，取0
——上、下岩石间的磨擦系数，取1.1
——侧向滑移面单位面积上的粘聚力（KPa）
——上、下岩石间的单位面积粘聚力（KPa）
——侧向滑移面长度（m）
——岸坡角（°）
——侧滑面的倾角（°）
——滑裂面与轴力之间的水平夹角（°）
计算中将大坝分为7层进行计算，根据大坝布置及以上取值，计算得校核洪水位和正蓄水位情况各层拱圈坝肩稳定安全系数如表5、表6所示。
表5 校核洪水位情况大坝稳定计算成果表
编号 拱圈高程（m） 稳定安全系数Kc 稳定安全系数规范规定值 备注
左坝肩 右坝肩
0 623.00 96.89 92.45 2.50 各拱圈左右坝肩稳定满足规范要求
1 619.50 46.55 34.82
2 616.00 21.89 16.09
3 612.50 11.43 8.11
4 609.00 6.47 5.29
5 605.50 3.54 3.83
6 602.00 8.08 4.87
7 598.00 45.21 33.56
表6 正常蓄水位情况大坝稳定计算成果表
编号 拱圈高程（m） 稳定安全系数Kc 稳定安全系数规范规定值 备注
左坝肩 右坝肩
0 623.00 99.98 95.35 3.0 各拱圈左右坝肩稳定满足规范要求
1 619.50 48.30 36.08
2 616.00 22.87 16.84
3 612.50 12.06 8.61
4 609.00 6.95 5.73
5 605.50 4.00 4.30
6 602.00 9.02 5.70
7 598.00 57.06 44.95
从坝肩稳定计算成果看，坝肩岩体稳定安全系数均能满足规范要求。
内吉水库大坝从2010年建成至今，已正常运行3年多，大坝未发现裂缝、位移等危及大坝安全的现象，大坝的结构拟定及计算成果表明大坝的设计是成功的。
三、结束语
在水利工程建设中，主体大坝的设计是工程的关键，也是保障工程最终顺利投入使用的重要前提，因此设计工作必须对设计人员进行严格要求，无论是在专业知识上和设计经验上。所以我们应该不断的提升自己的专业知识，并结合实际情况进行分析探讨，从而更好的做好这一工作。