黃華新

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

青龍水電站大壩位于湖北省恩施市馬尾溝流域新塘鄉(xiāng)陰沙潭處，電站廠房位于馬尾溝六級電站壩址上游800m處，壩址與廠址之間相距約6.9km，該電站是馬尾溝流域梯級開發(fā)的第二級水電站，壩址以上流域面積208km2。正常蓄水位為735.0m，最大設(shè)計壩高137.7m（實施過程中壩基地質(zhì)條件較好，壩基整體抬高7m，局部地質(zhì)缺陷帶挖槽回填混凝土，實際最大壩高130.7m），水庫總庫容2939萬m3，調(diào)節(jié)庫容1620萬m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫?？傃b機容量40MW，保證出力5.2MW，多年平均發(fā)電量1.119億kW·h。水庫樞紐工程規(guī)模為三等中型工程。主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。由于壩高超過100m，其建筑物級別提高一級為2級。大壩和泄水建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計，500年一遇洪水校核；消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計。

2 拱壩布置

樞紐工程的主要建筑物由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪表孔、發(fā)電引水隧洞、電站廠房和GIS樓等組成。發(fā)電引水隧洞總長5600m，設(shè)計引用流量21.0m3/s，設(shè)有直徑為10m的簡單圓筒式調(diào)壓井。電站廠房安裝2臺20MW的混流式水輪發(fā)電機組。

碾壓混凝土雙曲拱壩采用拋物線拱，壩頂高程737.7m，設(shè)計最大壩高137.7m，頂拱最大中心角82.94°，頂拱弧長116m，拱冠梁頂厚6m，底厚23m，厚高比為 0.167，最大倒懸度0.125。采用壩身表孔泄洪，布置3孔10m×7m（寬×高）溢流表孔，堰頂高程728.0m，堰面為WES曲線，采用弧形閘門控制，液壓啟閉（六壩平面布置見圖1）。壩肩采用窯洞開挖方案，窯洞頂部高程745.7，頂寬（10～12.5）m，洞深約14m。

3 拱壩計算方法

圖1 壩頂平面結(jié)構(gòu)布置圖

本工程采用中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)抗震中心的拱壩試載法靜動分析程序SDTLM88進(jìn)行計算，其拱梁分載法計算原理是在拱壩中取中取若干條單寬懸臂梁和單高水平拱，把水荷載分配給這些梁和拱的單元，梁和拱的交點處在指定方向的變位一致，包括徑向變位Δr，切向變位Δs和水平扭轉(zhuǎn)角變位Δθ。

在拱壩變位中，徑向變位值Δr最大，首先調(diào)整徑向變位，由于變位不一致，必須重新分配拱梁荷載，直至拱梁各共軛點徑向變位一致或接近一致，此時各點的切向變位Δs和扭轉(zhuǎn)變位Δθ不會恰好一致，須在拱和梁之間加一對內(nèi)力促使二者的切向變位和扭轉(zhuǎn)角變位也相等，第一次徑向、切向和扭轉(zhuǎn)調(diào)整結(jié)束后拱和梁相應(yīng)結(jié)點的徑向變位又會不一致，需再調(diào)整徑向荷載的分配，如此反復(fù)計算，直至相應(yīng)的結(jié)點的徑向、切向和角變位基本一致。

4 拱壩體型選擇

拱壩體形初擬三心圓拱、五心圓拱和拋物線拱方案，對三種線形的雙曲拱壩方案采用上述計算程序進(jìn)行計算比較，然后推薦較優(yōu)的拱壩體形方案。對三心圓、五心圓和拋物線拱方案的半徑、中心角、拱端厚度等參數(shù)反復(fù)調(diào)整，按照以下：（1）正常蓄水位加溫降；（2）正常蓄水位加溫升；（3）死水位加溫升；（4）設(shè)計洪水位加溫升；（5）校核洪水位加溫升等5種基本荷載組合工況；分別計算各壩型的最大應(yīng)力及部位。結(jié)果詳見表1。

表1 各壩型應(yīng)力計算成果表

從表1可以看出，多心圓拱方案（三心圓拱、五心圓拱）與拋物線拱方案上下游面最大拉應(yīng)相差不多，均滿足1.5MPa設(shè)計拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，但是多心圓拱方案壓應(yīng)力明顯比拋物線拱方案大，并且多心圓拱方案下游面在左岸拱端高程（640～660）m部位，最大值分別為6.51MPa、6.56MPa,超過設(shè)計 6.0 MPa壓應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。最終選用拋物線拱方案。

5 拋物線拱壩型參數(shù)

水平拱圈和拱冠梁均采用拋物線，拱冠梁上下游曲線均為2次曲線，其方程分別為：

水平拱圈拋物線開口向下，方程Y=-X2/（2R）+ B，式中B為拱冠凸度，R為x=0處的曲率半徑。

參數(shù)方程：X=R×tgθ，Y=-（R×tg2θ）/2+B，式中R同上，θ為似中心角。

表2為拋物線左側(cè)拱參數(shù)，表3為拋物線右側(cè)拱參數(shù)。

6 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計

6.1 混凝土分區(qū)

混凝土分區(qū)根據(jù)壩體應(yīng)力、強度、抗?jié)B、溫控及抗沖耐磨等要求，分區(qū)如下（圖2）：

（1）大壩基礎(chǔ)設(shè)置2m厚的墊層混凝土區(qū)、廊道和止水周邊0.8m厚區(qū)域，采用C9025二級配細(xì)石變態(tài)碾壓混凝土，防滲等級W10。

（2）大壩上游面▽680m以下5m厚、▽680m以上3m厚防滲層采用C9025二級配細(xì)石碾壓混凝土，防滲等級W10。

（3）大壩主體▽680m以下采用C9025碾壓混凝土，▽680m以上C9020碾壓混凝土。

表2 拋物線左側(cè)拱參數(shù)

表3 拋物線右側(cè)拱參數(shù)

圖2 拱壩剖面圖

（4）溢流壩堰體和閘墩采用C2820常態(tài)混凝土澆筑；由于泄洪表孔單寬流量較大、流速高，為防止過流面產(chǎn)生沖刷，在溢流面采用1m厚的C2830抗沖耐磨混凝土；閘墩牛腿、門槽二期混凝土、公路橋和路面采用C2830混凝土。

6.2 壩體分縫

結(jié)合工程“U”型河谷的特點，建基面600.0m高程拱圈弧長僅為34.55m，640高程拱圈弧長62.7m，壩頂弧長116m，考慮誘導(dǎo)縫具有壩體未冷卻收縮時就能蓄水發(fā)電的特點，且具有全斷面碾壓施工，加快施工速度的特點，其縫的構(gòu)造形式簡單，施工質(zhì)量容易保證。本大壩布置1#、2#兩條誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫自▽640m至壩頂，▽640m以下壩體通倉澆筑，1#、2#誘導(dǎo)縫將▽640m以上壩體分為3個壩段。

7 結(jié) 語

綜上所述，青龍碾壓混凝土雙曲拱壩方案能夠較好地滿足壩址的不對稱地形條件，應(yīng)力分布均勻，上下游面的最大拉、壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，工程量最少，工程經(jīng)濟(jì)合理。