王然富

(貴州省水城縣水利局，貴州六盤水553500)

猴場(chǎng)水電站大壩設(shè)計(jì)研究

王然富

(貴州省水城縣水利局，貴州六盤水553500)

猴場(chǎng)水電站位于水城縣東南部猴場(chǎng)鄉(xiāng)境內(nèi)月亮河上，距縣城65 km。壩址在猴子箐河段，距猴場(chǎng)鄉(xiāng)13 km。根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果，水庫(kù)校核洪水位822.62 m，設(shè)計(jì)洪水位822.10 m，正常蓄水位818.50 m。文章結(jié)合工程實(shí)例對(duì)水電站大壩設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，并根據(jù)筆者多年來的工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)知識(shí)提出了相關(guān)設(shè)計(jì)及計(jì)算，希望能給予相關(guān)專業(yè)讀者借鑒。

水電站;大壩設(shè)計(jì);基礎(chǔ);防滲處理

1 工程概況

大壩左右兩岸為非溢流壩，河床段為溢流壩，壩基高程807.00 m，非溢流壩段最大壩高16.50 m，溢流壩段最大壩高8.0 m。溢流壩段位于樁號(hào)壩0+016.00至壩0+050.00段，堰頂高程815.00 m，設(shè)三孔三閘，孔口尺寸為9 m×3.5 m，閘門尺寸為9 m×4.0 m，溢流壩采用底流消能的方式;非溢流壩段左岸長(zhǎng)5.45 m，右岸長(zhǎng)16 m;沖沙底孔布置在大壩右岸，孔口中心線位于樁號(hào)0+016.40段，進(jìn)口孔口為2 m×2 m，出口孔口為2 m×1.5 m。

2 筑壩材料

大壩為C15混凝土砌毛石重力壩，設(shè)計(jì)容重為23 kN/m3，迎水面為C20混凝土防滲面板，抗?jié)B等級(jí)為W6，抗凍等級(jí)為F50。猴場(chǎng)重力壩壩軸線短、方量少，根據(jù)試驗(yàn)成果，毛石混凝土水泥用量少，絕熱溫升低，因而大壩混凝土未采取任何特別的溫控(分縫)措施，在控制混凝土入倉(cāng)溫度等溫控措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行通倉(cāng)澆筑，在節(jié)約造價(jià)的基礎(chǔ)上達(dá)到快速施工的目的?；炷潦┕ぜ夹g(shù)的工藝是:堆放石塊→灌入混凝土。其技術(shù)核心是利用高流態(tài)混凝土的特性，無須人工振搗，得到符合要求的防滲和結(jié)構(gòu)性能。

高流態(tài)混凝土施工技術(shù)對(duì)原材料提出了幾個(gè)方面的要求:①采用其專利產(chǎn)品外加劑;②毛石塊徑＞15 cm，以30 cm左右為宜;③高流態(tài)混凝土骨料粒徑＜20 mm。這些要求使得高流態(tài)混凝土在施工和造價(jià)方面的優(yōu)勢(shì)受到了影響，從而限制了其在中小型工程中的推廣應(yīng)用。

3 基礎(chǔ)及防滲處理

大壩建基面開挖至弱風(fēng)化巖體上部，遇裂隙密集帶或卸荷裂隙適當(dāng)嵌深。壩基平均開挖深度為3 m，兩岸壩肩平均開挖深度為2.8 m。強(qiáng)風(fēng)化開挖邊坡為1:0.5，覆蓋層開挖邊坡為1∶1。

施工開挖后大壩壩基具有巖體完整性好、河床覆蓋層淺，工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、明朗，不會(huì)發(fā)生巖溶性滲漏等特點(diǎn)，雖然地基持力層為軟質(zhì)巖，但由于所建重力壩為低壩，承受的水荷載不大，建基面由初設(shè)的805.00 m高程抬高至807 m高程置于弱風(fēng)化上部，地基承載力能滿足設(shè)計(jì)要求［1］。

壩址河床及岸坡地基巖層均為夜郎組砂質(zhì)泥巖，巖石的透水性很小，在水的浸泡下，其微裂隙會(huì)自行閉合。因此本壩的基礎(chǔ)不作特殊處理。墊層C15混凝土改為C10混凝土，在開挖后為防風(fēng)化，先澆筑厚70 cm的C10混凝土墊層封閉，再在上面填筑壩體。為加強(qiáng)基巖的整體性和均一性，提高基巖的整體質(zhì)量，增加大壩的抗滑穩(wěn)定，對(duì)壩基、壩肩進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，重點(diǎn)選在河床壩基的節(jié)理密集帶，固結(jié)灌漿孔深入基巖5 m，呈梅花型布置，孔排距均為3 m。為增加護(hù)坦的抗浮穩(wěn)定，護(hù)坦混凝土澆筑后，對(duì)護(hù)坦做Φ25錨桿加固處理，錨桿深入基巖3 m，呈梅花型布置，間排距均為2 m。

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319—2005)，壩高 ＜50 m的重力壩，帷幕的防滲標(biāo)準(zhǔn)為5Lu。通過壓水試驗(yàn)可知，壩基巖體表層風(fēng)化帶透率較大，弱風(fēng)化、新鮮基巖透水率逐漸變小。由于壩址處于田壩寨向斜北西翼，受構(gòu)造影響，裂隙較發(fā)育。壩基開挖后及時(shí)回填，并作固結(jié)灌漿處理，壩址地層為相對(duì)隔水層，建基面以下巖體透水率較小，以固結(jié)代帷幕，固結(jié)孔深入基巖5 m，固結(jié)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)≤5 Lu。壩基開挖后對(duì)護(hù)坦用錨桿作加固處理。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 基礎(chǔ)資料

4.2 壩頂高程計(jì)算

按《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319—2005)，壩頂高程等于水庫(kù)靜水位加上相應(yīng)壩頂超高，按下列兩種情況計(jì)算，取其較大值:

1)設(shè)計(jì)洪水位+正常運(yùn)用情況的安全超高。

2)校核洪水位+非常運(yùn)用情況的安全超高。

表1 壩址巖石物理力學(xué)參數(shù)建議表

表2 壩址洪水流量及相應(yīng)水位表

壩頂超高計(jì)算公式為:

式中:△h為防浪墻頂與水庫(kù)正常蓄水位或校核洪水位的高差，m;hb不波高，m。

式中:hz為波浪中心線至水庫(kù)正常蓄水位或校核洪水位的高差，m;hc為安全超高，m;正常運(yùn)用情況取0.3 m，非常運(yùn)用情況取0.2 m。Lm為平均波長(zhǎng)，m;V0為計(jì)算最大風(fēng)速，m/s;設(shè)計(jì)工況時(shí)V0=15 m/s;校核工況時(shí) V0=10 m/s;D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m;D=1 000 m;g為重力加速度，m/s2。

壩頂高程計(jì)算成果見表3。

表3 壩頂高程計(jì)算成果表 m

由校核洪水位控制壩頂高程，確定壩頂高程為823.50 m。

4.3 應(yīng)力計(jì)算

本工程壩體斷面設(shè)計(jì)時(shí)，抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力計(jì)算的荷載組合考慮在正常蓄水位情況和校核洪水位情況，各種狀況所受荷載見表4。

表4 作用組合表

計(jì)算見圖如下:

圖1 非溢流壩段計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2 溢流壩段計(jì)算見圖

壩體應(yīng)力計(jì)算方法參照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319—2005)，壩基截面的垂直應(yīng)力按計(jì)算公式為:

式中:σy為壩踵、壩趾垂直應(yīng)力，MPa;ΣW為作用于1 m壩長(zhǎng)上全部荷載(包括揚(yáng)壓力，下同)在壩基截面上法向力的總和，kN;Σm為作用于1 m壩長(zhǎng)上全部荷載對(duì)壩基截面形心軸的力矩總和，kN·m;A為1 m壩長(zhǎng)的壩基截面積，m2;x為壩基截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離，m;J為1 m壩長(zhǎng)的壩基截面對(duì)形心軸的慣性矩，m4。

由于非溢流壩很短，根據(jù)壩基開挖后的實(shí)際情況，取擋水壩最大斷面，即河床建基面高程為807.0 m的斷面進(jìn)行壩基應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算成果表5。

表5 壩基垂直應(yīng)力計(jì)算成果表

由計(jì)算結(jié)果可見，非溢流壩、溢流壩在各種組合下壩踵垂直應(yīng)力均未出現(xiàn)拉應(yīng)力;而壩趾最大垂直應(yīng)力為0.90 MPa，小于壩基的允許承載力1 MPa，也小于壩體混凝土的允許應(yīng)力值，因此，壩基面應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

4.4 壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算

由于猴場(chǎng)閘壩較矮，又采用高流態(tài)混凝土快速筑壩技術(shù)，不考慮壩內(nèi)設(shè)廊道和打排水孔，僅于壩基墊層澆筑完畢后設(shè)置防滲帷幕。根據(jù)規(guī)范的建議，帷幕處對(duì)揚(yáng)壓力折減系數(shù)取為1。

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2005)，壩基面抗滑穩(wěn)定按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算為:

式中:k'為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，f'=0.4;C'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，C'=0.2 MPa;A為壩基面接觸面截面積，m2;ΣW為作用于壩體上全部荷載(包括揚(yáng)壓力，下同)對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值，kN;ΣP為作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值，kN;壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算見下表6。

表6 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)規(guī)范6.4.1條規(guī)定，壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值在基本組合下大于3.0，特殊組合下大于2.5，非溢流壩壩基面抗滑穩(wěn)定滿足要求。

為計(jì)算的簡(jiǎn)便，溢流壩未考慮溢流面上閘墩、閘門上所施加的豎向荷載，這使得計(jì)算偏于安全。壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算見表7。

表7 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)規(guī)范6.4.1條規(guī)定，壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值在基本組合下大于3.0，特殊組合下＞

2.5 ，溢流壩壩基面抗滑穩(wěn)定滿足要求。

根據(jù)地質(zhì)勘探的成果，壩基巖體內(nèi)不存在軟弱結(jié)構(gòu)面，也不存在緩傾角裂隙，結(jié)合地質(zhì)人員建議，故不對(duì)大壩進(jìn)行壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

5 結(jié)論

經(jīng)蓄水安全鑒定復(fù)核，大壩應(yīng)力、穩(wěn)定滿足規(guī)范要求;溢洪道滿足泄洪要求，消能型式可行;沖沙兼放空底孔滿足水庫(kù)沖沙及放空要求，出口消能型式滿足規(guī)范要求;發(fā)電取水口的取水高程及過流能力滿足設(shè)計(jì)要求。因此，設(shè)計(jì)認(rèn)為，在達(dá)到水庫(kù)蓄水前的工程形象進(jìn)度要求后，經(jīng)批準(zhǔn)可進(jìn)行初期蓄水。

［1］銀正濤，銀正彤，鄭文鋒.長(zhǎng)灘水電站大壩設(shè)計(jì)探討［J］.科技資訊，2007(01):205.

TV64

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1007-7596(2014)06-0143-03

2013-03-20

王然富(1973-)，男，貴州水城人，工程師，從事農(nóng)田水利、水工建筑相關(guān)工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工及研究管理工作。