枧槽沟水库拱坝设计

钱雪晋

(贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州 贵阳 550002)



枧槽沟水库拱坝设计

钱雪晋

(贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州 贵阳 550002)

枧槽沟水库坝高54 m，为混凝土单心圆单曲拱坝。坝基地质条件较复杂，坝高1/3以下坝基为松子坎组泥质灰岩，属软岩至中硬岩类；坝高1/3以上坝基为狮子山组灰岩，属硬质岩类。采用ADASO拱坝应力分析程序进行应力计算，用刚体极限平衡法进行坝肩稳定计算，结果表明，不同工况下应力及稳定均满足规范要求。

枧槽沟水库；单心圆单曲拱坝；拱坝设计

1 工程概况

枧槽沟水库位于息烽县东北部，距县城约1 km。水库总库容138万m3，正常蓄水位1066 m，工程规模为小(1)型，工程等别为Ⅳ等。大坝为混凝土单心圆单曲拱坝，坝顶高程1068 m，最大坝高54 m，最大底厚15.6 m，厚高比0.29，大坝为4级建筑物。

枧槽沟水库工程具有以城镇供水为主兼灌溉等功能，建成后将提供城镇供水量238万m3/a和承担改善灌区33.33 hm2灌溉面积灌溉用水的任务。工程总工期24个月，总投资8724万元。

2 坝址地形地质条件

坝址位于川黔铁路枧槽沟大桥上游约160 m处，为较对称“U”型横向河谷，两岸地形坡度上陡下缓，地形坡角约50°～70°,河床宽15～30 m，河床高程1022～1025 m，设计正常蓄水位1066 m时，谷口宽约81 m，地形宽高比1.9。

坝址区左岸1035 m、右岸1040 m高程以上为三叠系狮子山组第一段(T2sh1)灰色中-厚层灰岩、白云质灰岩夹灰黄色白云岩；以下为三叠系松子坎组第二段(T2s2)薄-中厚层泥晶灰岩和薄层泥质白云岩、白云岩与杂色泥(页)岩呈不等厚互层。岩层近SN走向、倾W(倾下游略偏左岸)，倾角28°～37°。

坝址区出露地层主要为三叠系中统狮子山组第一段(T2sh1)中厚层灰岩、白云质灰岩，其中灰岩、白云岩和白云质灰岩属硬质岩类；松子坎组第二段(T2s2)薄至中厚层白云岩、泥质白云岩、钙质泥页岩和泥质白云岩、泥质灰岩属软岩至中硬岩类。

3 拱坝布置及设计

挡水建筑物为C15常态混凝土单曲拱坝，拱坝坝顶宽5 m，坝底宽15.6 m，上游坡度m1=0，下游坡度m2=0.2，起坡点高程为1068 m。最大拱坝高54 m，厚高比为0.29，属于中厚拱坝。最大外半径65 m，最大内半径60 m，最大中心角109.689°。坝基高程1014 m，坝顶总长124.438 m。大坝左右两岸为非溢流坝，河床段为溢流坝段。溢洪道设闸控制开敞式自由溢流，堰顶高程1063 m。溢流前沿净宽12 m，坝顶设4 m×3 m(b×h)工作闸门，其上设宽为5 m的钢筋混凝土人行交通桥。

拱坝共设6条横缝，把整个坝体分为长17 m、17 m、17.588 m、23.97 m、16.442 m、16 m、16.438 m的7段。横缝缝面设置梯形键槽，横缝上游侧及下游侧各设1道1.5 mm厚的铜片止水，缝内布置灌浆管进行接缝灌浆。

在坝内1027 m高程设置灌浆排水廊道，灌浆廊道两端底板布置于1042.0 m高程，采用1∶1的坡度至1027 m高程。净空尺寸为2.5 m×3.25 m城门洞型，30 cm厚钢筋混凝土衬砌，靠下游侧设置排水沟，通过坝内预埋φ100排水管将水排出坝体。坝基排水孔设于大坝帷幕下游侧，钻孔深度为深入基岩10 m，钻孔倾向下游，倾角5°，坝基排水引至下游，然后排至下游河道。

4 应力及稳定分析

4.1 坝体应力分析

拱坝应力计算采用中国水利水电科学研究院结构所编制的拱坝多拱梁混合法应力分析程序——《拱坝体形优化程序ADASO》电算程序计算。

(1)荷载组合

基本组合1：正常蓄水位1066 m与下游无水+泥沙压力(淤沙高程1037.85 m)+坝体自重+设计正常温降+扬压力。

基本组合2：死水位1041.5 m与下游无水+泥沙压力(淤沙高程1037.85 m)+坝体自重+设计正常温升+扬压力。

基本组合3：设计洪水位1066.21 m与相应尾水位1025.68 m+泥沙压力(淤沙高程1037.85 m)+坝体自重+设计正常温升+扬压力。

特殊组合：校核洪水位1066.98 m与相应尾水位1026.42 m+泥沙压力(淤沙高程1037.85 m)+坝体自重+设计正常温升+扬压力。

(2)计算结果分析

基本组合1工况T2sh地层中最大压应力发生在高程1045.4 m左拱端下游面，为1.9 MPa，T2s2地层中最大压应力发生在高程1030.2 m拱冠上游面，为1.6 MPa；最大拉应力发生在高程1022.6 m拱冠下游面，为-1.07 MPa；

基本组合2工况地层中最大压应力发生在高程1068.0 m右拱端上游面，为1.5 MPa；T2s2地层中最大压应力发生在高程1030.2 m右拱端上游面，为1.3 MPa；最大拉应力发生在高程1022.6 m右拱端上游面，为-0.62 MPa；

基本组合3工况T2sh地层中最大压应力发生在高程1068.0 m右拱端上游面，为2.1 MPa，T2s2地层中最大压应力发生在高程1030.2 m右拱端下游面，为1.6 MPa；最大拉应力发生在高程1037.8 m左拱端上游面，为-0.8 MPa；

特殊组合工况T2sh地层中最大压应力发生在高程1045.4 m左拱端下游面，为2.1 MPa；T2s2地层中最大压应力发生在高程1030.2 m右拱端下游面，为1.6 MPa；最大拉应力发生在高程1037.8 m左拱端上游面，为-0.78 MPa；

综上，T2sh地层中最大压应力值为2.1 MPa，T2s2地层中最大压应力值为1.6 MPa；最大拉应力值为为-1.07 MPa。大坝基础T2sh地层中灰色中-厚层灰岩、白云质灰岩夹灰黄色白云岩的允许压应力为3000～3500 kPa，T2s2地层中薄层灰岩、泥质灰岩、泥质白云岩的允许压应力为1800～2200 kPa，经分析坝体各计算点的计算应力值均满足要求。

4.2 坝肩抗滑稳定分析

(1)平面稳定计算分析

在拱坝坝肩稳定计算中截取单位高度的坝体及岩体，在拱端的推力下，核算坝肩岩体的平面稳定，拱坝的稳定计算采取“刚体极限平衡法”计算拱坝的分层稳定。坝肩力系由程序ADASO提供，本工程静力计算共计算了四种工况，即三种基本组合、一种特殊组合。计算结果见表1。

表1 坝肩抗滑稳定安全系数表

由表1可知，左岸基本工况最小安全系数为3.1，特殊工况最小安全系数为3.2，均分别大于规范要求3.0、2.5；而右岸基本工况一最小安全系数为2.7，不满足规范要求，需进行空间稳定计算[1]。

(2)空间稳定计算分析

对1030.2 m高程以上进行空间稳定计算，采用刚体极限平衡法。计算假定[2]：①作用于滑移体上所有的力，可以合成一个合力；②在外力作用下，滑移体不发生变形，即为刚性块体；③沿单一面的滑移，只有当滑移力指向临空面时才能发生；④沿两个面的滑移，只能沿着它们的交线并该交线指向临空面才能发生；⑤在垂直于滑移方向的平面上，不存在剪切。

通过计算1030.2 m高程以上空间抗滑稳定安全系数为3.32，大于3.0，满足规范要求。

5 基础处理

大坝基础开挖至弱风化岩体中部的基岩，由于松子坎组各种岩体承载力不均匀，为了保证基础受力均匀，提高基础承载力，处于松子坎组地层的基础除铺设1 m厚的C15常态混凝土外须对泥岩等软弱层采取局部深挖回填C15混凝土的处理措施。此外还须作固结灌浆处理，两坝肩狮子山组岩体较为坚硬，但为了提高其整体性和承载力也需进行固结灌浆，固结灌浆孔深均为5 m，呈梅花型布置，间排距均为3 m。左坝肩处于裂隙密集带和卸荷裂隙，基础适当嵌深。坝基平均开挖深度为10.9 m，两岸坝肩平均开挖深度为10.5 m，强风化开挖边坡为1∶0.5，覆盖层开挖边坡为1∶1。

6 结 语

采用ADASO拱坝应力分析程序进行应力计算，采取刚体极限平衡法进行坝肩稳定计算。计算结果表明，不同工况下应力及稳定均满足规范要求。

[1] 潘家铮.关于拱坝坝头的稳定分析[J].水利水电技术，1979(4)：14-21.

[2] 朱伯芳,高季章,陈祖煜,等.拱坝设计与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2002，156-186.

钱雪晋(1985-)，男，工程师，主要从事水利水电工程建筑工作。

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