堆石混凝土拱坝枢纽布置及结构稳定计算分析

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 工程概况

风光水库位于正安县格林镇风光村境内芙蓉江右岸支流曹溪沟上游河段。坝址上游集雨面积4.62km2，多年平均径流量298万m3，设计洪水标准采用30年一遇，校核洪水标准采用200年一遇。水库主要由堆石混凝土双曲拱坝、坝顶泄洪表孔、取水兼放空建筑物等组成。水库正常蓄水位为688.00m，相应库容131万m3，水库总库容155万m3。风光水库是一座为村镇供水、兼顾农田灌溉的Ⅳ等小(1)型水库工程。

2 坝址地形地质条件

风光水库坝址位于格林桥与张村沟汇口之间狭谷河段，河流顺直，河床高程645.00～653.00m，平均比降约2.5%，区内未见跌坎及深槽发育。河谷深切，坝区河谷横断面整体呈“喇叭口”状，两岸地形对称性好，河谷宽高比约2∶1。两岸基岩多裸露，局部为第四系残坡积覆盖，河床多为第四系冲洪积物覆盖。坝址区岩层产状为N3°～5°W/NE∠41°～46°，整体倾上游微偏左岸，地形狭窄为基本对称的“V”形横向河谷结构。两岸阶地不发育。坝址区出露地层主要为寒武系中上统娄山关群中段(∈2-3ls2)，上段(∈2-3ls3)及第四系(Q)地层，岩体为中厚层白云岩、白云质灰岩等，岩层倾下上游偏左岸，沿线无大的构造发育。

坝基主要发育四组裂隙构造结构面，裂隙发育均以中至陡倾角为主，无缓倾结构面分布。坝基无明显由缓倾角构成底滑面的滑动边界条件，故浅层滑动主要受控于坝基岩体与坝体的接触面；坝址两岸山体较完整，未见顺河向断层发育，其结构面主要有层面和裂隙两类，故其抗滑稳定决定于岩体本身的强度及裂隙结构面和层面的影响。

3 坝型比选及大坝枢纽布置

3.1 坝型比选

根据风光水库工程任务、建设规模等特性，从地形地质条件、筑坝材料、施工导流和工程投资等方面进行对比分析[1-2]，优选堆石混凝土双曲拱坝、堆石混凝土重力坝两种拟定方案，从技术、经济等方面进行比选。

a.地形地质条件。地形狭窄为基本对称的“V”形横向河谷结构，河谷宽高比约2∶1，坝基肩岩体以中硬岩为主，坝基肩除裂隙较为发育外无大的断层构造切割，基岩开挖量较小，适宜建双曲拱坝。

b.筑坝材料。双曲拱坝填筑量明显少于重力坝方案。

c.施工导流。重力坝方案导流洞比拱坝方案导流洞长，临时工程投资偏大。

d.工程投资。重力坝和双曲拱坝，其大坝填筑材料相同，但拱坝填筑工程量要少，相应工程投资相对较小。另外，贵州遵义地区已修建大量双曲拱坝，具有成熟的拱坝施工技术和丰富的项目管理经验，设计采用堆石混凝土双曲拱坝坝型。

3.2 大坝枢纽布置

大坝枢纽工程主要由双曲拱坝、坝顶溢流表孔、取水兼放空建筑物等组成。水库正常水位688.00m，设计洪水位(P=3.33%)689.77m，校核洪水位(P=0.5%)690.15m。坝顶高程691.00m，建基面高程642.50m，最大坝高48.5m，最大坝底厚12.5m，厚高比0.258，坝顶宽度5.0m，拱坝最大中心角91.67°。大坝上、下游坝面采用M10水泥砂浆砌C15混凝土预制块，上游面设置厚0.5m的C9015一级配自密实混凝土防渗心墙，大坝采用C9015一级配堆石混凝土。溢流堰堰顶高程688.00m，开敞式自由泄洪。大坝枢纽平面布置见图1。

4 堆石混凝土双曲拱坝结构设计

4.1 拱坝坝顶高程确定

由调洪计算成果可知，水库正常蓄水位688.00m，设计洪水位689.77m，校核洪水位690.15m，多年平均最大风速12.0m/s，水库计算吹程D=0.18km。根据《混凝土拱坝设计规范》(SL 282—2018、DL 5108—

图1 大坝枢纽平面布置

1999)推荐公式及荷载组合进行计算[3]，风光水库双曲拱坝结构安全级别为Ⅲ级，安全超高hc为0.4m(正常洪水位)和0.3m(校核洪水位)。计算得大坝平均波浪高h1%为0.35m(正常洪水位)和0.21m(校核洪水位)，波浪高hz最大为0.09m 。坝顶高程分析成果见表1。

表1 双曲拱坝坝顶高程分析成果 单位：m

由表1可知，校核洪水位690.15m为坝顶高程控制工况，计算坝顶高程为690.71m，设计取坝顶高程691.00m。

4.2 坝体应力分析

由于拱坝是一个空间弹性壳体，很难用单一理论进行分析。为了验算坝体断面是否满足设计强度要求，设计采用多拱梁分载法借助计算机对拱坝应力进行分析[4]。根据风光水库双曲拱坝结构体型，拱梁分载网格按11拱21梁进行布置(见图2)。

图2 11拱21梁拱梁分载网格示意

4.2.1 主要设计荷载特性参数

a.荷载组合。风光水库正常蓄水位688.00m，设计洪水位689.77m，校核洪水位690.15m。为了准确掌握拱坝坝体和坝基在不同荷载条件下的应力和变形情况[5]，设计选定4种基本荷载组合和2种特殊荷载组合进行分析(见表2)。

表2 坝体应力分析荷载组合

b.坝体主要参数。堆石混凝土的堆石率取0.55，重度为24.6kN/m3，按照《砌石坝设计规范》(SL 25—2006)规定，C9015堆石混凝土：弹性模量为6.9GPa；线膨胀系数为7×10-6/℃；泊松比为0.20。

c.温度。库区多年平均气温16.30℃，多年平均最低月(1月)气温5.50℃，多年平均最高月(7月)气温26.20℃；日照影响按2℃计；温降变幅为10.80℃；设计正常温降为12.80℃，温升变幅为9.90℃；考虑日照影响后，设计正常温升11.90℃；库底水温因无实测资料，根据《砌石坝坝设计规范》(SL 25—2006)中附录规定，取Tkd=8℃；水表面年平均水温18.30℃；表面水温年变幅为10.35℃。

4.2.2 计算成果分析

采用“ADAO拱坝分析与优化软件”进行分析[6]，计算成果见表3。

表3 拱梁分载最大主拉和主压应力分析成果

由表3可知，对于坝肩地基、局部破碎岩体及溶槽等采取局部挖除后换填C15混凝土和固结灌浆处理后，各种工况下坝体的最大主压应力、拉应力均在设计允许的基本组合压应力(3.75MPa)、特殊组合压应力(4.29MPa)和拉应力(1.0MPa)范围内，基岩承载力也满足要求。

4.3 坝肩稳定分析

两坝肩地层岩性均一性相对较好，未见顺河向断层发育，其结构面主要有层面和裂隙两类，故其抗滑稳定决定于岩体本身的强度及裂隙结构面和层面的影响。采用竖向切条法分别对分层稳定及整体稳定进行分析，计算成果见表4。

表4 坝肩稳定计算成果

由表4可知，分层稳定计算最小安全系数为3.90，整体计算最小安全系数为8.72，左、右坝肩分层稳定和整体稳定计算成果均大于规范规定的基本组合(3)和特殊组合(2.50) 安全系数指标值，坝肩抗滑稳定满足要求。

5 结 论

风光水库坝型选择中，根据坝址地形地质条件、筑坝材料、施工导流和工程投资等进行比较分析论证，优选技术可行、经济合理的堆石混凝土双曲拱坝坝型。

水库大坝枢纽由堆石混凝土双曲拱坝、坝顶溢流表孔、取水兼放空建筑物等组成，最大坝高48.50m，坝顶高程为691.00m。采用“ADAO拱坝分析与优化软件”对拱坝应力及坝肩稳定性进行计算，分析结果表明：不同荷载组合条件下，大坝应力分布均匀，结构整体安全可靠。