某水利工程碾压混凝土重力坝设计

张思远

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

某水利工程碾压混凝土重力坝设计

张思远

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

本工程等别为Ⅲ等，属于中型水利工程。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝轴线方位角为N87.662°W。坝顶高程为1257.30m，河床段建基面高程1197.70m，最大坝高59.6m，最大底宽57.37m，坝顶宽度6.0m，坝顶长317.8m。大坝通过计算确定坝顶及建基面高程及大坝坝基面的应力和稳定分析，最终完成重力坝设计。

碾压混凝土；重力坝；应力计算；稳定计算

1 工程布置

本工程等别为Ⅲ等，属于中型水利工程，永久建筑物：大坝、溢洪道、取水兼放空隧洞等主要建筑物为3级建筑物，其中比较常见的主要建筑物为提水泵站、供水工程等，而次要建筑物则为四季建筑物，比较常见的为供水管道。临时建筑物：围堰、导流洞等临时建筑物为5级建筑物。枢纽布置为大坝(碾压重力坝)+坝顶溢洪道+放空兼冲沙底孔+取水口+坝后提水泵站+高位水池组成。碾压混凝土重力坝，坝轴线方位角为N87.662°W。坝顶高程为1257.30m，河床段建基面高程1197.70m，最大坝高59.6m，最大底宽57.37m，坝顶宽度6.0m，坝顶长317.8m，其中左岸非溢流坝段长100.8m，河床溢流坝段长20m，右岸非溢流坝段长197m，上游坝坡1∶0.3，折坡点高程1223.70m，下游坝坡1∶0.85，折坡点高程1248.90m，溢洪道边墙折坡点高程1244.67m，坝基坐落在弱风化中下部。上坝公路布置于右岸，引接进入河头上村的乡镇公路路口，部分改造河头上村村寨公路，至该村寨时拐向由村子背后通过至右坝端。

坝体材料分区为：坝体主体材料采用C9015三级配碾压混凝土，抗渗等级W4，抗冻等级F50；上游迎水面设一层0.5m厚的C9020二级配变态混凝土；坝体的主要防渗层采用C9020二级配碾压混凝土(富胶凝)，1220.95m高程以上厚度1.5m，1220.95m高程以下厚度2.0m，抗渗等级W6，抗冻等级F100；下游坝面为一层厚0.5m的C9015二级配变态混凝土；为加强基础与基岩的连接作用，大坝底部在河床段设厚1.0m的C9015常态混凝土垫层，在岸坡段设厚1.0m的C9015变态混凝土垫层。

2 重力坝设计计算

2.1 坝顶及建基面高程确定

大坝为3级建筑物，洪水标准按50a一遇洪水设计，500a一遇洪水校核。根据调洪计算结果，大坝校核洪水位(P=0.2%)1255.75m，相应下游校核水位为1214.67m；设计洪水位(P=2.0%)1254.59m，相应下游设计水位为1214.00m；消能防冲洪水位(P=3.33%)1254.44m，相应下游水位为1213.88m；正常蓄水位为1254.00m。

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)，坝顶高程=水库静水位+△h，其中△h为坝顶距水库静水位(正常蓄水位或校核洪水位)的高度，△h由下式确定：

△h=h1%+hz-hc

(1)

式中：△h为防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h1%为表示100a一遇的高坡，m，计算依据官厅公式完成；hz为波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m；hc为安全超高，m，本工程大坝的安全级别为3级，根据《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005规定，正常蓄水位时取0.4m，核洪洪水位时取0.3m。

波浪要素按官厅水库公式计算：

(2)

计算结果表明，坝顶高程由校核洪水位工况控制，最终选定坝顶高程为 1257.30m。根据地质提供的坝址处岩层参数及岩体风化深度，结合坝基深层抗滑稳定计算成果，将坝基置于弱风化的中下部，即大坝建基面高程为1197.70m，上游坝踵底高程为1192.70m。

2.2 大坝坝基面的应力和稳定分析

根据拟定大坝断面尺寸，进行稳定及应力计算。河头上水库工程大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高 59.6 m，大坝抗滑稳定计算和应力分析主要采用常规的极限刚体平衡和材料力学法计算。分别选择溢流坝段、非溢流坝段 2个典型剖面进行计算，主要计算内容包括：坝体与坝基接触面抗滑稳定计算、坝基、坝体强度计算。

2.2.1 大坝应力及稳定控制指标

1)控制坝体应力指标。

依据相关准则规定，坝体中各项结构的应力要满足以要求：①在具体运行过程中，不同类型的荷载组合，坝址垂直应力不得超过坝基允许的最大应力值，坝踵垂直应力不得出现拉应力；②坝趾垂直应力可以存在拉应力，但是该拉应力不得超过 0.1MPa；③坝体上游面垂直不得出现扬压力避免对坝体造成破坏；④坝体存在的主压力最大值必须要小于混凝土结构允许的最大压力；⑤坝体中的每一个截面上的主压应力都要小于混凝土结构允许的最大压力；⑥坝体下游面的主拉应力必须要控制在0.2MPa以内。

2)大坝抗滑稳定控制指标。

坝体抗滑稳定计算主要核算沿坝建基面及深层软弱夹层滑动条件。建基面抗滑稳定控制指标如表1所示。

表1 各工况下稳定安全系数要求

2.2.2 坝体应力及稳定计算

1)根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)中的相关规定，在不同荷载组合下，对坝体间的各项应力进行计算。计算公式如下：

(3)

式中：σy为—坝踵、坝址垂直应力，MPa；∑W为坝段上的荷载，KN；∑M为坝段上的荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，KN·m；A为坝段(或者1m坝长)的截面积大小，m2；x为坝基截面上计算与形心轴之间的距离，m；J为坝段(或1m坝长)截面对形心轴的惯性矩，m4。最终的计算结果内容如表2所示。

表2 大坝应力计算成果表 MPa

2)沿大坝建基面滑动稳定计算。

沿建基面滑动按照抗剪断公式进行计算：

(4)

式中：K＇为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。按规范要求，计算之K＇值需满足：基本组合>3.0，特殊组合>2.5；f＇、c＇分别为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力，MPa，根据地质资料取值；A为计算坝段坝基接触面截面积，m2。

根据地质资料，坝址处混凝土与坝基，岩石抗剪断参数为：f＇=0.75，c＇=0.5 MPa。

根据以上不同工况及荷载组合，从计算成果可知，基本组合情况K/>3.0，特殊组合情况K/>2.5，故坝体抗滑稳定满足规范要求。

3 结 论

通过计算确定大坝的坝顶高程和坝基高程后初拟大坝体型，在根据规范及实际情况确定荷载组合及大坝应力指标，最后进行大坝的应力计算和稳定计算，最终完成重力坝设计。

[1]王小杰.车家坝河水利杻纽碾压混凝土重力坝设计[J].河南科技，2014(02)：71-72.

[2]曹骏.哮天龙水库碾压混凝土重力坝设计[J].贵州水力发电，2011(02)：17-19.

1007-7596(2017)08-0084-02

2017-07-26

张思远(1981-)，男，辽宁辽阳人，高级工程师，从事水工建筑工作。

TV642.2

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