哈萨克斯坦图尔古松水电站左岸扶壁挡墙砂砾石坝设计

杨云超，马 宁，巩绪威

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

图尔古松水电站位于哈萨克斯坦的图尔古松河上，电站采用河床式布置。坝顶高程571.0 m，工程正常蓄水位567.5 m，最大坝高36.5 m，装机容量为24.9 MW，为Ⅳ等小(1)型工程。枢纽建筑物由左岸连接坝段、左岸扶壁坝段、安装间坝段、厂房坝段、泄洪深孔坝段、溢流表孔坝段、右岸重力坝段等组成。

左岸扶壁坝段长118.0 m，分为4～9号共6个坝段，最大坝高30.5 m，坝体结构型式为扶壁式挡墙砂砾石坝。

1 坝型选择与断面尺寸初拟

结合地形地质、枢纽布置、坝型适应性、泄洪消能、施工条件、工期、工程投资等因素，经技术经济综合比较论证，并考虑本工程区域属于极端大陆性气候，冬季寒冷漫长的特点，初步拟定大坝采取混凝土重力坝方案。

由于各种外界因素的影响，工程混凝土总方量受到一定限制，在初步拟定混凝土坝方案后，对坝体断面型式进行了充分的技术经济论证。

由于扶壁式挡墙具有墙身断面较小、混凝土用量少，可以较好的发挥材料的强度性能，并可适当减少地基开挖等优势，故考虑左岸挡水坝段采用高扶壁挡墙砂砾石坝的结构型式。挡墙下游侧采用砂砾石进行填筑来保证坝体的整体稳定性。同时建筑物开挖过程中产生的弃渣尽可能的填筑在坝体上游面，可在低温条件下对扶壁式挡墙墙身起到一定的保温作用，弃渣的充分利用，减少了工程施工对当地环境的影响。

依据混凝土重力坝设计规范，并考虑流冰期的最大冰厚，确定坝顶高程为571.0 m。综合考虑坝址区地质情况及坝体基岩的可利用情况，左岸4～5号挡墙建基面开挖至基岩553.5 m高程，6～9号坝段随地形条件建基面逐渐降低。考虑到地基为岩基，承载能力较高，底板宽度取坝高的0.8倍[1-2]。挡墙沿坝轴线方向分段布置，分段长度20 m，并设伸缩缝，缝宽1.0 cm，设两道橡胶止水带。由于挡墙高度超过15 m，扶壁间距考虑取坝高的0.3倍，扶壁厚度取扶壁间距的1/6。考虑挡墙防渗抗冻要求，并结合严寒地区建筑物止水带布置特点，墙身初拟厚度取2.5 m，底板厚度2.0 m[2-3]。

聚脲能适应高寒地区的低温环境，尤其是能抵抗低温时混凝土开裂引起的形变而不渗漏。故考虑在迎水坝面喷涂2 mm聚脲材料，加强混凝土防渗抗冻性。

为保证扶壁式挡墙的自身稳定，墙后采用非冻胀性的砂砾石进行填筑。挡墙后设计填筑至568.0 m高程，按照1∶2放坡与原地面线相接，坝体典型断面结构型式及尺寸详见图1所示。

图1 扶壁挡墙砂砾石坝典型断面简图

2 荷载及其组合

断面结构尺寸初步拟定后，为了进行坝体的整体稳定验算和挡墙各部分的结构设计，需要进行荷载计算。

作用于扶壁挡墙上的主要荷载包括挡墙自重及填土重、土压力、静水压力、扬压力、冰压力、地震作用等。其中土压力的计算是挡墙设计的关键，墙后按主动土压力计算，墙前按被动土压力计算[3]。

扶壁挡墙在完建、校核、正常蓄水、冰冻及地震等工况下，会产生不同的荷载组合，设计中需充分考虑最危险工况。

3 稳定验算

扶壁挡墙断面初步拟定后，结合前一节所计算的荷载，并将扶壁挡墙墙身与底板上部有效填土作为一个整体，验算整体稳定性。确保挡土墙不产生整体稳定破坏。

校核工况下验算稳定性的荷载计算简图如图2所示，其余工况根据所受荷载不同而相应的变化。对抗滑稳定、抗倾覆稳定及基底应力进行验算，结果表明，初步拟定的坝体断面满足整体稳定要求。

图2 稳定性验算计算简图(校核工况)

4 结构设计

挡墙设计在满足上述整体稳定要求的前提下，进一步进行结构设计，以保证所拟定的断面具有足够的强度并满足经济合理的要求。主要内容包括：①选择控制工况和典型断面，进行外荷载和内力计算；②对选择的控制截面进行配筋计算以及裂缝开展宽度验算。

本工程借助有限元软件ANSYS进行挡墙结构设计，有限元计算模型如图3所示，模型中X、Y、Z分别为顺水流方向(向下游为正)、竖直方向(向上为正)及沿坝轴线方向(向右岸为正)[4]。

图3 扶壁式挡墙三维有限元模型

计算结果见表1，表1中所示为应力值的范围，SX、SY、SZ分别为沿对应方向的正应力，正值代表拉应力，负值代表压应力，单位MPa。地震(1)表示顺水流地震工况，地震加速度方向指向下游；地震(2)表示垂直水流地震工况，地震加速度方向指向左岸；地震(3)表示顺水流地震工况，地震加速度方向指向上游。

表1 正应力计算成果表 MPa

利用有限元方法计算出结构各部位的应力后，根据应力结果选择控制工况下的典型截面作为配筋截面，根据截面的拉应力图形面积，计算拉应力的合力，再根据下式[5]计算钢筋面积。

式中：fy为钢筋抗拉强度设计值，取360 MPa；As为受拉钢筋面积，m2；T为拉应力的合力；T=Ab，A为拉应力区面积，b为截面宽度，取单宽1 m。

根据计算钢筋截面积，进行扶壁挡墙的钢筋配置，如图4所示。

图4 钢筋布置示意图

根据水工混凝土结构设计规范，对裂缝开展宽度进行验算，经计算满足抗裂要求。公式[6]如下：

σsk≤αsfyk

式中：σsk为标准组合下的受拉钢筋应力；σsk=Tk/As，其中As为受拉钢筋截面面积，Tk为标准组合下由钢筋承担的拉力；fyk为钢筋强度标准值。

5 坝基处理设计

由于工程区域节理裂隙较发育，因此，为提高基岩的整体性和强度，进行坝基固结灌浆。固结灌浆孔按照孔深6 m，间排距3 m，梅花形布置。灌浆压力应通过试验确定，接触段灌浆压力不得大于0.3 MPa，接触段以下各段灌浆压力宜分级升高。在不抬动混凝土盖重的前提下，灌浆压力宜取大值。

为了减少坝基渗流量、降低坝底渗流压力，需在坝基进行帷幕灌浆，灌浆控制标准为基岩透水率5Lu以下3～5 m。结合工程建筑物布置特点，防渗帷幕布置在坝轴线上游0.8 m处，灌浆孔间距2 m布置[6]。

6 结 语

本工程地处严寒地区，当地的有效施工工期较短，结合工程特点，经设计研究，确定左岸挡水坝段采用扶壁式挡墙砂砾石坝型式。

经过稳定验算、结构设计验算、地基处理设计等，表明该坝体型式可满足建筑物挡水要求，结构安全可靠、尺寸拟定合理，可为类似工程设计提供参考。