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摘要：因坝址处河谷较宽，坝顶轴线弧线较长，是目前国内弧高比最大的碾压混凝土拱坝。其两岸山体地形不对称，且受工程调度运用方式特殊性的影響，对大坝体形设计提出了较高的要求。文章介绍了某水电站碾压混凝土大坝的设计思路和一些特点，为坝高突破的碾压混凝土拱坝的设计施工提供一定参考。
关键词：水电站;碾压混凝土;大坝设计
Abstract: Because of the dam site is located in the valley is wide, the longer axis arc, is currently the largest camber ratio of RCC arch dam. The two sides of topography asymmetry, and project scheduling using special way, put forward a higher request to the dam bodily form design. This paper introduces the design idea of a hydropower station RCC dam and some characteristics, to provide a reference for design and construction of RCC arch dam high breakthrough.
Key words: hydropower station; roller compacted concrete dam design;
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
1、工程概况
某水电站坝址河床为薄层石灰岩,岩石破碎,岩石中有软弱页岩夹层, 对坝的抗滑稳定及变形极为不利,两岸山体有数条溶洞,如建127m高拱坝,水库防渗堵漏、坝基处理难度和建设的风险都很大,因此,在重新论证该电站建设规模时,把水库正常蓄水位从335m降为282m,坝高由原来127m降为78.5m,电站装机容量由160MW变为50MW,年发电量由5.41×108kW·h 变为1. 97×108 kW·h。坝址以上流域面积4630km2, 多年平均流量109 m3/s, 水库正常蓄水位282.00m,水库总库容0.49亿m3。拦河大坝为碾压混凝土单曲拱坝,加上垫层的高度,最大坝高为78.5m,坝顶高程288.50m,坝顶弧长212.60m,坝顶通车宽度6.0m,坝底厚21.2 m, 拱坝厚高比0.27。泄洪建筑物布置在坝顶的中部,采用5个溢流表孔,闸门用液压启闭机启闭。靠右岸坝身设置1个水库放空底孔及预留一个灌溉孔。采用挑流加“三坎式水垫塘”的消能方式。
2、体形设计与优化
根据不对称宽河谷地形条件下建拱坝的设计理念，单曲重力拱坝的拱端推力及拱端变位均小于双曲拱坝。因此，首先考虑采用单曲重力拱坝形式，但坝踵处的拉应力不易满足规范要求；之后采取双曲拱坝体形设计进行对比，应力得到了很大程度的改善，且体形优化调整的效果好，自由度大。当单曲拱坝和双曲拱坝的体形均调整至坝体应力小于规范允许应力时，单曲拱坝低水位的拉应力范围较大，坝体工程量较多。从施工条件上比较，单曲拱坝高峰强度较大，资源投入亦较大；从工程投资上看，单曲拱坝比双曲拱坝增加约13%。故，最终确定选用碾压混凝土双曲拱坝。经多次优化总结，宽谷拱坝特别需要拱圈刚度，又考虑到两岸不对称的地形特点，技施阶段对双曲拱坝体形又进行了优化和调整， 将中间层拱冠厚度减小，适当增加拱端厚度，将拱冠梁适当前移，并采用分层拟合的三次抛物线作为曲率半径方程，减小坝体底部拱的曲率半径，增强拱作用，增大上部拱的曲率半径，使拱坝坝体应力和拱端推力方向更趋合理。从坝体应力计算成果看，拉应力分布范围减小；特殊荷载组合时，坝体最大拉应力下降了17%，工程量也略有减少。
3、大坝应力分析
3.1拱坝的应力分析
拱坝的应力、应变分析采用拱梁分载法进行,分析时将拱坝分为9拱17梁, 考虑拱梁分载及径、切、扭三向调整。工况1的计算成果为:
(1) 坝体上游面: 主拉应力主要分布在拱端,最大拉应力为0.737MPa,出现在820m高程左拱端；主压应力以拱冠周围为较大,其中以拱冠800m高程的4.727MPa为最大。
(2) 坝体下游面: 主拉应力主要分布在拱冠周围,最大为1.168MPa；主压应力以拱端周围为最大,但最大主压应力5.117MPa出现在738.5m高程的拱冠。
(3) 拱坝最大径向变位为3.02cm, 位于820m 高程。工况2的计算成果在本文中省略。计算成果表明, 在基本组合及特殊组合工况下,坝体的应力及位移分布规律合理, 其最大值均在允许范围内。
3.2重力坝的应力分析
左岸重力坝除自身作为挡水建筑物外,还要作为拱坝左拱端的基础, 故坝体承受的荷载有水荷载、扬压力、自重和拱坝左拱端的推力。由于结构受力的独特性及材料力学法的局限性, 所以采用三维有限元来计算和分析其应力状态, 计算范围包括左岸重力坝及坝基岩体。从计算结果看: a.压应力较小(一般为0.5~2.1MPa),但下游面底部角点有2.40MPa的压应力,拱端的压应力达4.20MPa； b.重力坝中部873~ 850m 高程的下游面及沿岸坡周边有0.7~1.2MPa的拉应力, 而其余部位的拉应力均较小。从应力水平上看,拉应力较低,满足规范要求。
4、大坝基础处理设计
4.1防渗及排水
4.1.1 防渗
坝体防渗体采用二级防渗配碾压混凝土，该种防渗方式施工方便，干扰少，施工质量较易保证，是国家“八五”科技攻关项目最重要的研究成果之一。坝体防渗体顶部高程为3302.0m 采用厚度2.0m，向下逐步加宽，防渗体上游面铅直为坝体上游面，下游面逐步加宽，在3157.00 m 高程宽度为12m。为了高坝的安全性，在死水位3235.00m 以下还采用LJP 型合成高分子防水涂料作为坝体辅助防渗措施。为坝基渗透稳定，在拱坝基础进行帷幕灌浆。在拱坝基础3240.0m 高程以下高程防渗采用双排孔灌浆帷幕，在河床中间段帷幕最大深度30m，左岸岸坡段帷幕最大深度80m，右岸岸坡段帷幕最大深度60m。帷幕灌浆孔排距1.5m，孔距2.0 m。在拱坝基础3240.0 m 高程以上高程防渗采用单排孔灌浆帷幕，左、右岸岸坡段帷幕最大深度60m，灌浆孔孔距2.0m。帷幕灌浆可通过布置在3150.0 m，3195.0m，3240.0m 和3280.0m 高程4层的灌浆平洞和两坝肩的灌浆平洞内进行。
4.1.2排水
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防渗配碾压混凝土后，设计采用无砂混凝土排水管。排水管将坝体排水汇集到基础灌浆及排水廊道的集水井内，用水泵将集水抽排到坝体外。为减小坝基扬压力，提高坝基稳定性，在灌浆帷幕后设置排水孔，排水孔孔距2.0m。在河床中间段排水孔最大孔深20m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深50m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深40 m。
4.2坝体结构
根据灌浆、大坝观测、排水及交通需要，按照简化坝体、集中布置的原则，分别在3150m3195m，3240m和3280m 高程布置4 层多功能水平廊道，在坝内设置2.0m×2.0m 的方形交通竖井与各层水平廊道连同。水平廊道设置在二级配防渗碾压混凝土后，在坝体内3195m，3240m 和3280m 高程，其功能为观测、排水及交通的洞段，其断面为2.0m×2.5m，其与坝坡灌浆平洞相连接。3150m 高程和兼顾灌浆功能的洞段，其断面为3.0m×3.5m。由于坝体较高，考虑在交通竖井内设电梯1部，以方便交通。
4.3不良地质条件处理
(1) 左岸重力坝基础: 原则上将坝基上的P2w1地层挖除,使重力坝置于弱风化P1q+ m厚层灰岩上；对穿过重力坝基础的断层破碎带进行挖槽回填混凝土塞,并进行深孔固结灌浆处理。为提高建基面的抗滑稳定安全度,在固结灌浆孔内布置插筋, 并将插筋的外露部分与重力坝基础垫层混凝土锚固。对于溶蚀带部位要加深固结灌浆孔,先进行砂浆回填后再进行固结灌浆处理。为提高重力坝浅层抗滑稳定的安全度,对靠近拱端位置也要布置钢筋桩进行加固处理。
(2) 壩基建基面上开挖出现的断层、溶洞和溶蚀带,需作掏槽开挖并回填混凝土(塞),然后进行固结灌浆处理。对于断层与防渗帷幕相交处,可加强帷幕灌浆和固结灌浆,必要时可局部加大混凝土塞的深度和加深固结灌浆的孔深。
(3) f3 断层: 该断层穿过右岸拱端,为了减小f3断层对右拱端基础压缩变形的影响,在818m高程帷幕灌浆隧洞内沿f3断层在拱端70m范围内布置施工支洞, 沿断层破碎带上、下分别进行孔深约30m的深孔固结灌浆处理,以减小拱端推力作用对坝肩基础的压缩变形。
4.4温控设计
根据坝址处的水文气象条件和工程进度目标的安排,碾压混凝土设计安排在10月份至次年4月份期间施工,合理安排施工计划与浇筑强度,加强养护。不需采取特殊温控措施。某水电站碾压混凝土拱坝设计允许和施工实际发生的碾压混凝土各月最高浇筑温度见表1。
表1 某水电站拱坝碾压混凝土浇筑温度表
5、温控措施
(1) 采用中低热水泥, 高掺粉煤灰(二级配掺55% ,三级配掺60%),尽可能地降低碾压混凝土绝热温升。
(2) 采用水温介于7~23e的右岸下游地下河水拌合混凝土。
(3) 已碾压完成或暂停碾压的坝体采用遮阳麻袋布及时覆盖,并勤于喷水养护, 以免太阳暴晒,保持仓面湿润。
(4) 坝体设计未布置有埋设冷却水管和混凝土未掺有MgO。
6、结语
碾压混凝土拱坝采用通仓浇筑薄层上升,与常态混凝土相比,在南方山区中小型大坝的温控方面有简单处置的适用优势,不用掺MgO,传统的骨料风冷或水冷和埋设冷却水管均可取消,只需相应做好大坝混凝土施工时段的合理安排,优化的混凝土配合比设计和科学养护,能取消专门温控设施。某水电站碾压混凝土拱坝尝试成功,丰富了碾压混凝土拱坝在我国南方建坝实践经验。
关键词：水电站;碾压混凝土;大坝设计
Abstract: Because of the dam site is located in the valley is wide, the longer axis arc, is currently the largest camber ratio of RCC arch dam. The two sides of topography asymmetry, and project scheduling using special way, put forward a higher request to the dam bodily form design. This paper introduces the design idea of a hydropower station RCC dam and some characteristics, to provide a reference for design and construction of RCC arch dam high breakthrough.
Key words: hydropower station; roller compacted concrete dam design;
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
1、工程概况
某水电站坝址河床为薄层石灰岩,岩石破碎,岩石中有软弱页岩夹层, 对坝的抗滑稳定及变形极为不利,两岸山体有数条溶洞,如建127m高拱坝,水库防渗堵漏、坝基处理难度和建设的风险都很大,因此,在重新论证该电站建设规模时,把水库正常蓄水位从335m降为282m,坝高由原来127m降为78.5m,电站装机容量由160MW变为50MW,年发电量由5.41×108kW·h 变为1. 97×108 kW·h。坝址以上流域面积4630km2, 多年平均流量109 m3/s, 水库正常蓄水位282.00m,水库总库容0.49亿m3。拦河大坝为碾压混凝土单曲拱坝,加上垫层的高度,最大坝高为78.5m,坝顶高程288.50m,坝顶弧长212.60m,坝顶通车宽度6.0m,坝底厚21.2 m, 拱坝厚高比0.27。泄洪建筑物布置在坝顶的中部,采用5个溢流表孔,闸门用液压启闭机启闭。靠右岸坝身设置1个水库放空底孔及预留一个灌溉孔。采用挑流加“三坎式水垫塘”的消能方式。
2、体形设计与优化
根据不对称宽河谷地形条件下建拱坝的设计理念，单曲重力拱坝的拱端推力及拱端变位均小于双曲拱坝。因此，首先考虑采用单曲重力拱坝形式，但坝踵处的拉应力不易满足规范要求；之后采取双曲拱坝体形设计进行对比，应力得到了很大程度的改善，且体形优化调整的效果好，自由度大。当单曲拱坝和双曲拱坝的体形均调整至坝体应力小于规范允许应力时，单曲拱坝低水位的拉应力范围较大，坝体工程量较多。从施工条件上比较，单曲拱坝高峰强度较大，资源投入亦较大；从工程投资上看，单曲拱坝比双曲拱坝增加约13%。故，最终确定选用碾压混凝土双曲拱坝。经多次优化总结，宽谷拱坝特别需要拱圈刚度，又考虑到两岸不对称的地形特点，技施阶段对双曲拱坝体形又进行了优化和调整， 将中间层拱冠厚度减小，适当增加拱端厚度，将拱冠梁适当前移，并采用分层拟合的三次抛物线作为曲率半径方程，减小坝体底部拱的曲率半径，增强拱作用，增大上部拱的曲率半径，使拱坝坝体应力和拱端推力方向更趋合理。从坝体应力计算成果看，拉应力分布范围减小；特殊荷载组合时，坝体最大拉应力下降了17%，工程量也略有减少。
3、大坝应力分析
3.1拱坝的应力分析
拱坝的应力、应变分析采用拱梁分载法进行,分析时将拱坝分为9拱17梁, 考虑拱梁分载及径、切、扭三向调整。工况1的计算成果为:
(1) 坝体上游面: 主拉应力主要分布在拱端,最大拉应力为0.737MPa,出现在820m高程左拱端；主压应力以拱冠周围为较大,其中以拱冠800m高程的4.727MPa为最大。
(2) 坝体下游面: 主拉应力主要分布在拱冠周围,最大为1.168MPa；主压应力以拱端周围为最大,但最大主压应力5.117MPa出现在738.5m高程的拱冠。
(3) 拱坝最大径向变位为3.02cm, 位于820m 高程。工况2的计算成果在本文中省略。计算成果表明, 在基本组合及特殊组合工况下,坝体的应力及位移分布规律合理, 其最大值均在允许范围内。
3.2重力坝的应力分析
左岸重力坝除自身作为挡水建筑物外,还要作为拱坝左拱端的基础, 故坝体承受的荷载有水荷载、扬压力、自重和拱坝左拱端的推力。由于结构受力的独特性及材料力学法的局限性, 所以采用三维有限元来计算和分析其应力状态, 计算范围包括左岸重力坝及坝基岩体。从计算结果看: a.压应力较小(一般为0.5~2.1MPa),但下游面底部角点有2.40MPa的压应力,拱端的压应力达4.20MPa； b.重力坝中部873~ 850m 高程的下游面及沿岸坡周边有0.7~1.2MPa的拉应力, 而其余部位的拉应力均较小。从应力水平上看,拉应力较低,满足规范要求。
4、大坝基础处理设计
4.1防渗及排水
4.1.1 防渗
坝体防渗体采用二级防渗配碾压混凝土，该种防渗方式施工方便，干扰少，施工质量较易保证，是国家“八五”科技攻关项目最重要的研究成果之一。坝体防渗体顶部高程为3302.0m 采用厚度2.0m，向下逐步加宽，防渗体上游面铅直为坝体上游面，下游面逐步加宽，在3157.00 m 高程宽度为12m。为了高坝的安全性，在死水位3235.00m 以下还采用LJP 型合成高分子防水涂料作为坝体辅助防渗措施。为坝基渗透稳定，在拱坝基础进行帷幕灌浆。在拱坝基础3240.0m 高程以下高程防渗采用双排孔灌浆帷幕，在河床中间段帷幕最大深度30m，左岸岸坡段帷幕最大深度80m，右岸岸坡段帷幕最大深度60m。帷幕灌浆孔排距1.5m，孔距2.0 m。在拱坝基础3240.0 m 高程以上高程防渗采用单排孔灌浆帷幕，左、右岸岸坡段帷幕最大深度60m，灌浆孔孔距2.0m。帷幕灌浆可通过布置在3150.0 m，3195.0m，3240.0m 和3280.0m 高程4层的灌浆平洞和两坝肩的灌浆平洞内进行。
4.1.2排水
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防渗配碾压混凝土后，设计采用无砂混凝土排水管。排水管将坝体排水汇集到基础灌浆及排水廊道的集水井内，用水泵将集水抽排到坝体外。为减小坝基扬压力，提高坝基稳定性，在灌浆帷幕后设置排水孔，排水孔孔距2.0m。在河床中间段排水孔最大孔深20m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深50m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深40 m。
4.2坝体结构
根据灌浆、大坝观测、排水及交通需要，按照简化坝体、集中布置的原则，分别在3150m3195m，3240m和3280m 高程布置4 层多功能水平廊道，在坝内设置2.0m×2.0m 的方形交通竖井与各层水平廊道连同。水平廊道设置在二级配防渗碾压混凝土后，在坝体内3195m，3240m 和3280m 高程，其功能为观测、排水及交通的洞段，其断面为2.0m×2.5m，其与坝坡灌浆平洞相连接。3150m 高程和兼顾灌浆功能的洞段，其断面为3.0m×3.5m。由于坝体较高，考虑在交通竖井内设电梯1部，以方便交通。
4.3不良地质条件处理
(1) 左岸重力坝基础: 原则上将坝基上的P2w1地层挖除,使重力坝置于弱风化P1q+ m厚层灰岩上；对穿过重力坝基础的断层破碎带进行挖槽回填混凝土塞,并进行深孔固结灌浆处理。为提高建基面的抗滑稳定安全度,在固结灌浆孔内布置插筋, 并将插筋的外露部分与重力坝基础垫层混凝土锚固。对于溶蚀带部位要加深固结灌浆孔,先进行砂浆回填后再进行固结灌浆处理。为提高重力坝浅层抗滑稳定的安全度,对靠近拱端位置也要布置钢筋桩进行加固处理。
(2) 壩基建基面上开挖出现的断层、溶洞和溶蚀带,需作掏槽开挖并回填混凝土(塞),然后进行固结灌浆处理。对于断层与防渗帷幕相交处,可加强帷幕灌浆和固结灌浆,必要时可局部加大混凝土塞的深度和加深固结灌浆的孔深。
(3) f3 断层: 该断层穿过右岸拱端,为了减小f3断层对右拱端基础压缩变形的影响,在818m高程帷幕灌浆隧洞内沿f3断层在拱端70m范围内布置施工支洞, 沿断层破碎带上、下分别进行孔深约30m的深孔固结灌浆处理,以减小拱端推力作用对坝肩基础的压缩变形。
4.4温控设计
根据坝址处的水文气象条件和工程进度目标的安排,碾压混凝土设计安排在10月份至次年4月份期间施工,合理安排施工计划与浇筑强度,加强养护。不需采取特殊温控措施。某水电站碾压混凝土拱坝设计允许和施工实际发生的碾压混凝土各月最高浇筑温度见表1。
表1 某水电站拱坝碾压混凝土浇筑温度表
5、温控措施
(1) 采用中低热水泥, 高掺粉煤灰(二级配掺55% ,三级配掺60%),尽可能地降低碾压混凝土绝热温升。
(2) 采用水温介于7~23e的右岸下游地下河水拌合混凝土。
(3) 已碾压完成或暂停碾压的坝体采用遮阳麻袋布及时覆盖,并勤于喷水养护, 以免太阳暴晒,保持仓面湿润。
(4) 坝体设计未布置有埋设冷却水管和混凝土未掺有MgO。
6、结语
碾压混凝土拱坝采用通仓浇筑薄层上升,与常态混凝土相比,在南方山区中小型大坝的温控方面有简单处置的适用优势,不用掺MgO,传统的骨料风冷或水冷和埋设冷却水管均可取消,只需相应做好大坝混凝土施工时段的合理安排,优化的混凝土配合比设计和科学养护,能取消专门温控设施。某水电站碾压混凝土拱坝尝试成功,丰富了碾压混凝土拱坝在我国南方建坝实践经验。