赫章县河口水库工程拱坝设计

明 亮

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

赫章县河口水库工程拱坝设计

明 亮

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

基于目前水库工程中拱坝坝型在枢纽布置及工程投资经济性方面具有较大优势，且越来越多的项目会涉及拱坝方案，本工程通过实例对拱坝的设计内容及过程作了较为详细的说明，为类似工程设计人员提供参考。结果表明，水库工程拱坝设计人员要通过优化首部枢纽建筑物工程总体布置、坝体布置、大坝体型、溢洪道设计、材料及质量、坝体构造、诱导缝设置、固结灌浆,以及防渗帷幕处理效果来提高拱坝设计应用的科学合理性，以实现水库工程大坝建设的可持续性使用目标。

拱坝设计；结构设计；溢洪道设计

1 工程概况

赫章县河口水库位于乌江一级支流六冲河的上游河段上。工程任务为城乡和工业供水、灌溉及发电。工程枢纽主要由大坝枢纽工程、供水及灌区工程组成。水库正常蓄水位为1663.5 m，对应库容3287 万m3；校核洪水位1666.26 m，总库容3739 万m3；工程等别为Ⅲ等，水库规模为中型。坝后电站装机容量7000 kW。

2 拱坝设计

2.1 首部枢纽建筑物工程总体布置

根据方案比选结果，坝型为碾压混凝土双曲拱坝。大坝枢纽由拦河大坝、坝顶溢洪表孔、冲砂底孔、引水隧洞及发电厂房等主要建筑物组成。其中，引水系统进水口布置在河道左岸，为岸边井筒式有压取水，由于取水口建筑物与大坝分开布置，本文对取水口设计不作论述。

2.2 坝体布置

大坝主体材料为C15三级配碾压混凝土。大坝上游面设50 cm厚C20二级配变态混凝土。紧贴变态混凝土下游侧设C20二级配碾压混凝土，厚度按高度分三级，分别为1.5 m，3 m及4 m。大坝下游面为50 cm厚C15三级配变态混凝土。坝体设有两层廊道，廊道底板高程分别为1630 m、1602 m，上层为排水廊道，下层为排水及灌浆廊道，廊道断面尺寸(宽×高)2.5 m×3.0 m。坝基置于弱风化基岩中下部，建基面最低高程1585 m。

2.3 大坝体型

大坝为双圆心圆弧拱坝，坝顶宽6 m，最大坝底宽20 m，坝顶弧长193.312 m。右岸顶拱半径121.141 m，左岸顶拱半径138.682 m。大坝体型主要几何参数见表1和表2。

表1 拱坝体形特征参数表

续表1

表2 拱坝体形特征参数表

2.4 溢洪道设计

2.5 材料及质量要求

大坝主体材料采用90 d龄期三级配C15碾压混凝土，抗渗标号W8，抗冻标号F50；大坝基础设置1.0 m厚二级配C20常态混凝土垫层，抗渗标号W8, 抗冻标号F50。大坝上游面采用90 d龄期C20二级配变态混凝土，50 cm厚，抗渗标号W8,抗冻标号F100；紧贴上游变态混凝土下游侧设C20二级配碾压混凝土，厚度按高度分三级，分别为1.5 m，3.0 m及4.0 m，抗渗标号W8, 抗冻标号F50；大坝下游面为50 cm厚C15三级配变态混凝土，抗冻标号F50。坝体廊道采用C20常态混凝土，最小厚度40 cm。

2.6 坝体构造

2.6.1 坝体分缝

大坝坝身设6条横缝，将坝体分为7个坝段，坝段长度17.2～28.8 m不等，横缝上游设置两道铜片止水，缝内安装重复灌浆系统，下游设一道铜片止水。大坝浇筑完成后，坝体混凝土温度达到封拱温度后，对其进行接缝灌浆。

2.6.2 坝内廊道及交通

坝体设有两层廊道，廊道底板高程分别为1630 m、1602 m，上层为排水廊道，下层为排水及灌浆廊道；廊道断面尺寸(宽×高)2.5 m×3.0 m。上层廊道的上游壁离上游坝面的距离为4.1 m，下层廊道的上游壁离上游坝面的距离为4.9 m，均能满足规范0.05～0.1倍坝面作用水头，且不小于3.0 m的要求。

大坝交通可采用坝后梯步型式，通过坝后梯步连接坝顶至廊道及底孔出口启闭机室。

2.6.3 坝体止水和排水

本工程坝体止水部位主要有坝体横缝上游面、校核尾水位以下的横缝下游面等部位。横缝上游设置两道铜片止水，缝内安装重复灌浆系统，下游设一道铜片止水。大坝浇筑完成后，坝体混凝土温度达到封拱温度后，对其进行接缝灌浆。

廊道排水系统由排水管与各层廊道排水沟组成。上、下层廊道之间设有排水孔，排水孔直径15 cm，孔距3.0 m。在防渗帷幕下游侧，在下层廊道与大坝基础之间也设有排水孔，排水孔直径15 cm，孔距3.0 m。

上层排水廊道底板高程高于下游校核洪水位，可采用自流排水方式。下层排水廊道底板高程高于下游常年水位，但低于下游校核洪水位。因此，在大坝未泄洪时，下层廊道也可采用自流排水方式[1]。但在泄洪期间，需采用水泵抽排[2]。

2.7 控制措施

(1)拱坝分缝分块浇筑，减小单块体积，降低坝体温升。本大坝共设6条横缝，不设纵缝，将坝体分为7块进行浇筑，各坝块在浇筑时均匀上升，相邻块高差≤12 m，相邻块浇筑时间间隔≤30 h。

(2)封拱温度(封拱时日平均温度)控制在年平均气温以下，但≥5 ℃，本地区多年平均气温13.3 ℃，综合考虑取封拱平均温度为13.3 ℃。

(3)水泥需采用低热水泥，在不影响混凝土强度和耐久性的前提下，应使用外加剂以及改善混凝土级配、加掺合料等综合措施降低水泥用量，减少发热量。控制混凝土水灰比≤0.5。

(4)对于本工程，温控措施主要是采用一些易行的方法，主要为埋设冷却水管结合仓面喷雾，错开高温时段，砂石骨料防晒措施。通水时坝体混凝土温度与冷却水之间的温差≤25 ℃，坝体降温速度每天≤1 ℃。

(5)对坝面、层面、侧面进行保温和保湿养护。大坝施工在低温季节，当气温<5 ℃时，要对已建坝段进行保护。防护方法主要是覆盖草垫或麻袋[3]。

2.8 诱导缝设置

为了防止产生温度裂缝，国内外普遍在碾压混凝土坝中采用了诱导缝这种分缝形式，即在坝内可能产生裂缝的横截面预先设置人工缝，人为地在坝体内构造薄弱面。当坝体温度全面下降时，诱导缝所处的薄弱面能首先拉开，达到消散坝体应力、按预定要求引导温度裂缝开裂、控制裂缝发展方向，以避免坝体产生无规则裂缝的目的。

根据相关文献及工程经验，设置的诱导缝能否充分发挥作用，一方面取决于诱导缝的开裂条件，另一方面取决于诱导缝所在坝面的应力应变状态。由于诱导缝是靠自身受拉应力的放大先诱导坝体在缝处开裂，故诱导缝必须布置在坝体拉应力较大的部位，缝处的拉应力放大后应大于其相邻坝块内的任何拉应力值。诱导缝一般设置在拱端和拱冠附近拉应力较大的断面，以便在坝体应力增大时首先张开，可充分发挥预期效果。

结合本工程应力分析结果，坝体应力在两岸拱座部位最大，为保证诱导缝能在坝体开裂之前开裂，应将诱导缝设置在应力大的区域，即本坝的拱端。若远离高拉应力区，则诱导缝有可能无法拉开，而导致坝体的无序开裂。

2.9 固结灌浆

左、右坝肩均为斜向坡，卸荷均有一定的深度，对两坝肩及坝基都应做固结灌浆处理，而对于局部破碎岩体及溶蚀风化囊等应加密固结灌浆[4]。

大坝基础开挖过程中，爆破震动可能使岩体松动，从而降低其承载力。为保证坝基岩体的完整性，须对全坝基作固结灌浆处理，固结灌浆孔间、排距均为3.0 m，深度为6.0 m，梅花型布置,灌浆压力0.3～0.6 MPa。

2.10 防渗帷幕处理

水库渗漏主要为坝基渗漏及库首绕渗，需作防渗处理，拟采用帷幕灌浆进行防渗处理。防渗帷幕线路的选择原则为：两坝肩至河床一带沿轴线布置，由于岩层倾向下游，倾角60°～70°，越往远端，两岸T1yn2相对隔水层在地表分布高程越高，防渗路线宜布置自坝端起向上游反接。由于在大坝上游约70～150 m的地方分布着三迭系永宁镇组第二段(T1yn2)的地层，岩性为泥页岩夹泥灰岩及砂岩，可作为相对隔水层利用。因此，两岸防渗端头考虑接T1yn2的泥页岩并伸入10 m作为防渗端头。坝区水文地质情况说明：河流为补给型，无大的岩溶管道渗漏，渗漏形式主要表现为裂隙性渗漏及局部裂隙性风化深槽渗漏。根据河床钻孔揭露，在孔深44 m(高程1558.2 m)以下分布为三迭系永宁镇组第二段(T1yn2)的地层，岩性为泥页岩夹泥灰岩及砂岩。因此，河床部分考虑接T1yn2的泥页岩并伸入10 m，同时按0.6倍坝高作为防渗底界，两岸以从端点深入10 m作为防渗帷幕的底界。

3 结 论

本工程拱坝设计具有一定的代表性，对于较对称“V”形河谷应尽量采用拱坝坝型。初步设计报告于2016年8月取得批复文件，专家认为本工程大坝设计是合理的，设计过程中考虑的因素也是合理的。

[1] 张建华，王栋． 洞河水库拱坝体型设计及应力分析[J]． 陕西水利，2015(6)：155-157.

[2] 杨正兵． 观音岩水库碾压混凝土双曲拱坝优化设计研究[J]． 水利科技与经济，2013(9)：25-27.

[3] 陈佐豪,苗杰. 拱坝坝肩抗滑岩体遭破坏后的抗滑稳定复核计算分析[J]. 陕西水利,2016(6):51-53.

[4] 杨正猛,廖声海. 基于水库拦蓄坝拱坝设计[J]. 黑龙江水利科技,2014(5):19-21.

明 亮(1978-)，男，黎族，贵州镇宁人，高级工程师。主要从事水利水电设计方面的工作。E-mail:377301377@qq.com。

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