衛(wèi)建文
(晉城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山西 晉城 048000)
西冶水電站位于陽(yáng)城縣東南蟒河鎮(zhèn)石板村附近的西冶河干流上,是西冶河上游開(kāi)發(fā)利用的控制性工程。水電站總庫(kù)容630萬(wàn)m3,興利庫(kù)容190萬(wàn)m3,調(diào)洪庫(kù)容258萬(wàn)m3,工程年供水量536萬(wàn)m3,裝機(jī)容量475 kW。
壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,斷裂構(gòu)造不發(fā)育,未發(fā)現(xiàn)斷層,為單斜巖層。壩址呈不對(duì)稱“U”形谷,壩基出露地層為奧陶下統(tǒng)冶里組第三巖組中厚層狀白云巖,巖性堅(jiān)硬,巖溶發(fā)育較弱,主要為溶隙,局部為溶孔,工程地質(zhì)條件較好,滿足漿砌石重力拱壩持力層要求。
樞紐工程大壩為等外半徑單曲拱壩,壩頂高程750.20 m,溢流段頂部高程745.00 m,最大壩高為31.6 m。拱壩壩軸線長(zhǎng)176.30 m,其中溢流段軸線長(zhǎng)56.5 m,拱壩頂拱中心角105.28°、外弧半徑96 m。壩頂最大弦長(zhǎng)152.5 m,壩頂寬4.5 m。溢流壩分為8孔,每孔凈寬6 m,堰面曲線采用圓弧曲線,下游接反弧段,并做挑流鼻坎,反弧半徑6 m,挑流鼻坎頂高程741.90 m,上游壩坡高程728.6 m以下為1∶0.42,以上為鉛直面;下游壩坡高程733.0 m以下為1∶0.48,以上為1∶0.26,高程723.6 m以下為1∶0.8,壩底最大寬度24.0 m。
以頂拱外弧作為拱壩軸線,采用砌石拱壩厚經(jīng)驗(yàn)公式:
Tc=0.4+0.01(L+3H) ,
式中:Tc——壩頂寬,m;
L——壩頂軸線弦長(zhǎng),m,取L=152.5;
H——最大壩高,m,取H=31.6。
經(jīng)計(jì)算Tc=2.87,結(jié)合業(yè)主意見(jiàn)并考慮交通需要,取Tc=4.5。
壩底厚度擬定根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)》經(jīng)驗(yàn)公式:
Tb=[0.132(L/H)0.269+2H/1 000]×H,
其中Tb為壩底厚度,經(jīng)計(jì)算得Tb=8.37 m。
由于壩體已于20世紀(jì)80年代砌筑至河床面,河床面壩體寬19 m,下游壩坡1∶0.8,建基面壩底厚度23 m,大于計(jì)算值,為利用已建壩體,本次設(shè)計(jì)壩底厚度在原設(shè)計(jì)厚度的基礎(chǔ)上,加1 m厚鋼筋混凝土防滲面板。
為充分利用已砌筑壩體,參照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),以上游壩面為主,兼顧下游壩面,擬合選定拱壩圓心,砌石拱壩選用等外半徑單曲拱壩,根據(jù)壩頂、壩底厚度,結(jié)合壩體應(yīng)力,確定拱壩設(shè)計(jì)尺寸,見(jiàn)表1:
壩體應(yīng)力分析采用《拱壩應(yīng)力計(jì)算程序》,按拱冠梁法計(jì)算。沿高程 750.2 m,746 m,741 m,736 m,731 m,726 m,721 m,718.6 m共切取8個(gè)水平拱圈和拱冠處的梁,根據(jù)交點(diǎn)處徑向變位一致與扭轉(zhuǎn)變位一致求得拱、梁荷載分配和應(yīng)力。
壩頂高程750.2 m,正常蓄水位745.00 m,設(shè)計(jì)洪水位748.18 m,校核洪水位749.81 m,淤沙高程737.5 m,淤砂浮容重取 8.6 kN/m3,內(nèi)摩擦角 11°,建基面高程718.6 m,壩頂厚度4.5 m,最大壩高31.6 m。壩體采用M7.5漿砌塊石砌筑,容重23 kN/m3,壩體彈性模量 7.5×103MPa,壩基彈性模量 1.0×104MPa,壩體線膨脹系數(shù)7×10-6/℃,年平均氣溫11.7℃,極端最高氣溫38.5℃,極端最低氣溫-17.2℃。
靜力分析計(jì)算采用以下四種荷載組合:
基本荷載組合:正常水位水壓力+泥沙壓力+壩體自重+溫升;正常水位水壓力+泥沙壓力+壩體自重+溫降;設(shè)計(jì)水位水壓力+泥沙壓力+壩體自重+溫升。
特殊荷載組合:校核水位水壓力+泥沙壓力+壩體自重+溫升。
經(jīng)計(jì)算可知,拱壩最大壓應(yīng)力一般產(chǎn)生在拱冠梁高程726 m處拱圈下游面,最大值為工況2的7.29 kg/cm2,最大拉應(yīng)力一般產(chǎn)生在拱冠梁高程726 m處拱圈上游面,最大值為工況2的0.85 kg/cm2。各部位的應(yīng)力分布與狀態(tài)都較均勻,滿足規(guī)范要求,說(shuō)明該拱壩應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。
壩肩巖體的穩(wěn)定分析是拱壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)實(shí)際情況,根據(jù)拱冠梁法計(jì)算的內(nèi)力成果,對(duì)兩岸拱端進(jìn)行穩(wěn)定分析,采用剛體極限平衡法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析。
根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,按抗剪公式進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析:
式中:k——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);
N——垂直于滑裂面的作用力,N;
f2——抗剪摩擦系數(shù),取f2=0.6;
T——沿滑裂面的作用力,N。
對(duì)各種荷載組合下每一高程的左右拱端分別按四種工況計(jì)算安全系數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為11.82,各結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,說(shuō)明整個(gè)壩是穩(wěn)定的。
由于壩址所在河谷不對(duì)稱,需在其較緩的左側(cè)山坡738.0 m高程至設(shè)計(jì)壩頂高程設(shè)置砌石重力式副壩擋水。
根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,最危險(xiǎn)的為工況4,相應(yīng)各層拱端內(nèi)力見(jiàn)表2。
表2 重力墩計(jì)算表
參照拱壩斷面,擬定重力墩橫斷面為:壩頂寬6.5 m,上下游均比拱壩斷面高1.0 m,上游壩面垂直下游面坡度1:0.7。對(duì)各層拱圈進(jìn)行計(jì)算,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取1.3,摩擦系數(shù)取0.6,計(jì)算得出重力墩沿拱端切線方向長(zhǎng)度最小為27.0 m,由此確定重力墩長(zhǎng)為27 m。
副壩壩軸線長(zhǎng)84.4 m,其中樁號(hào)0+000~0-027為重力墩段;樁號(hào)0-027~0-032.2為圓弧轉(zhuǎn)彎段,轉(zhuǎn)彎半徑 5 m,轉(zhuǎn)角 60°;樁號(hào) 0-032.2~0-084.4為重力副壩段,壩頂高程750.20 m,壩頂寬4.5 m,上游壩面垂直,下游面坡度1∶0.7,用M7.5水泥砂漿砌塊石砌筑。
按抗剪公式對(duì)重力副壩進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析,各工況副壩斷面最大抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.32,1.76,1.23,滿足規(guī)范規(guī)定,副壩滿足穩(wěn)定要求。