劉其文

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

沙壩水電站位于貴州省遵義市務(wù)川仡佬族、苗族自治縣境內(nèi)，是烏江支流洪渡河水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第五級(jí)，壩址距遵義市191km。洪渡河全流域集水面積3739km2，主河道長(zhǎng)205km，壩址以上集水面積1396km2，主河道長(zhǎng)102km。工程區(qū)位于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫15.5℃，年平均相對(duì)濕度80%，多年平均最大風(fēng)速7.8m/s，多年平均降水量為1194mm。

壩址兩岸山體雄厚完整，基巖裸露，左岸自然坡度66～72°，右岸70～82°，正常蓄水位河谷寬高比1.3。出露地層為二疊系下統(tǒng)棲霞 (P1q)、茅口組 (P1m)中至厚層灰?guī)r，飽和抗壓強(qiáng)度38～48MPa，巖層傾向下游略偏右岸，傾角45～55°。

沙壩水庫(kù)正常蓄水位615.00m，總庫(kù)容9940萬(wàn)m3，電站裝機(jī)30MW，多年平均發(fā)電量1.293億kW·h。電站采用混合式開(kāi)發(fā)，工程樞紐由碾壓混凝土雙曲拱壩、表孔、底孔、二道壩、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等建筑物組成。

擋水建筑物為單心圓碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程620.00m，壩頂寬度6.00m，壩底厚度19.715m，最大壩高84.50m，頂拱中心角96.721°，壩頂弧長(zhǎng)148.55m。

溢流表孔布置在壩頂中部河床段，堰頂高程603.00m，溢流凈寬45.00m，分5孔，采用挑流消能，單數(shù)孔為低坎，鼻坎高程590.26m，雙數(shù)孔為高坎，鼻坎高程597.44m。

底孔布置在表孔右側(cè)，總長(zhǎng)度39.15m，底板高程570.00m，孔身尺寸為3.00m×5.00m，出口尺寸為3.00m×4.00m，進(jìn)口設(shè)平面事故閘門(mén)，出口設(shè)弧形工作閘門(mén)，采用挑流消能。

施工圖設(shè)計(jì)階段，在原設(shè)計(jì)成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)認(rèn)真分析研究后，對(duì)壩軸線、建基面和拱壩體型等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真計(jì)算分析，對(duì)分縫數(shù)量、位置、型式及成縫方式等均進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2 控制標(biāo)準(zhǔn)

拱壩體型優(yōu)化應(yīng)力計(jì)算采用多拱梁法，壩肩穩(wěn)定分析采用剛體極限平衡法，按抗剪斷公式計(jì)算。大壩為3級(jí)建筑物，大壩主體采用C15碾壓混凝土，根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］壩體應(yīng)力和穩(wěn)定控制指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 多拱梁法壩體應(yīng)力和穩(wěn)定控制指標(biāo)

有限元計(jì)算拉應(yīng)力控制指標(biāo)根據(jù)混凝土試驗(yàn)資料按下式計(jì)算［2］:

式中:σ為混凝土允許拉應(yīng)力;ερ為混凝土極限拉伸值;EC為混凝土彈性模量;Kf為安全系數(shù)，取1.50。

根據(jù)上式計(jì)算得出壩體允許拉應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2 有限元法壩體拉應(yīng)力控制指標(biāo)

3 拱壩體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 壩軸線優(yōu)化

經(jīng)分析論證，原拱壩設(shè)計(jì)存在以下不足:①左拱端600.00m高程以上負(fù)地形對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定不利;②河床段壩基分別位于P1q3和P1m1巖體內(nèi)，承載力和變形性能不一致;③壩肩下部為 P1m1，彈模6～7GPa，中上部為P1m2，彈模9～13GPa，上硬下軟的巖性分布對(duì)壩體應(yīng)力不利;④水工模型試驗(yàn)結(jié)果反映，表孔沖坑將發(fā)展至抗沖能力相對(duì)較低的P1m1巖體內(nèi)。為了改善壩體應(yīng)力和增加壩肩抗滑穩(wěn)定安全裕度，并將表孔沖坑盡量集中在抗沖能力較高的P1m2巖體范圍內(nèi)，將壩軸線較原設(shè)計(jì)下移18.00m。

3.2 建基面高程優(yōu)化

壩軸線向下移動(dòng)后，大壩持力層巖體全部為P1m，強(qiáng)度較原設(shè)計(jì)有所提高。壩基開(kāi)挖至537.00m高程時(shí)，出露巖石新鮮完整，經(jīng)聲波檢測(cè)巖體已達(dá)微風(fēng)化，能滿足建壩要求，故將建基面高程由532.00m抬高至535.50m。

3.3 拱壩體型優(yōu)化

壩址河谷狹窄，兩岸地形基本對(duì)稱，經(jīng)對(duì)單心圓和拋物線兩種拱壩進(jìn)行計(jì)算分析，不同線型拱壩工程量相差不到2%。鑒于本工程采用碾壓混凝土筑壩，為發(fā)揮該技術(shù)快速施工的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)力求拱壩布置和體型設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)單，故選擇單心圓拱壩進(jìn)行體型優(yōu)化。

拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)原則為:①在應(yīng)力和穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求時(shí)，工程量最省;②在工程量一定，應(yīng)力滿足規(guī)范要求時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)最大;③壩體倒懸度盡量小，以方便施工。

經(jīng)對(duì)壩肩嵌深、拱冠梁形狀、拱圈中心角、倒懸度等多目標(biāo)優(yōu)化后，得到采用的拱壩體型 (見(jiàn)表3)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后壩體混凝土較原設(shè)計(jì)減少0.95×104m3，約8%;開(kāi)挖工程量減少2.55×104m3，約22%。

表3 拱壩體型對(duì)比表

4 壩體分縫及灌漿設(shè)計(jì)

4.1 分縫數(shù)量及位置

根據(jù)碾壓混凝土施工的特點(diǎn)，若壩體不設(shè)縫，則施工完畢后就自然封拱形成整體，因壩體弧長(zhǎng)與厚度比值較大，當(dāng)溫度應(yīng)力和混凝土干縮疊加并達(dá)到一定程度后，將導(dǎo)致壩體產(chǎn)生橫向裂縫。除了從材料方面入手，提高碾壓混凝土的抗裂性能外，還得采取結(jié)構(gòu)措施，盡量釋放由溫度和干縮等因素在壩體內(nèi)積蓄的能量。

為了掌握壩體應(yīng)力分布狀況和有針對(duì)性地采取結(jié)構(gòu)措施，結(jié)合施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算專題研究，共計(jì)算了無(wú)縫無(wú)溫控、一條縫無(wú)溫控、一條縫通水冷卻、兩條縫通水冷卻等多個(gè)方案。

有限元仿真計(jì)算研究成果［2］反映:①壩體不分縫時(shí)上游面最大拉應(yīng)力為2.87MPa，下游面最大拉應(yīng)力為2.43MPa，均超過(guò)混凝土的允許拉應(yīng)力;②壩體左側(cè)分1條縫后，近縫區(qū)域應(yīng)力有所改善，但遠(yuǎn)離分縫區(qū)域無(wú)明顯改善;③壩體左側(cè)分1條縫，并對(duì)03—04、10—11月份澆筑的混凝土通河水進(jìn)行冷卻后，壩體應(yīng)力狀況有進(jìn)一步改善，但壩體下游面中部及右側(cè)仍超過(guò)允許拉應(yīng)力;④壩體分兩條縫后，如不采取有效的溫控措施，仍將會(huì)有部分區(qū)域的應(yīng)力超標(biāo)準(zhǔn);⑤壩體分2條縫，并采取一定溫控措施后，上游面的最大拉應(yīng)力為1.62MPa，下游面的最大拉應(yīng)力為1.27MPa，滿足應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)研究成果在壩身左右岸各設(shè)1條縫，將壩體分為3個(gè)壩段，壩段長(zhǎng)度從右至左分別為 23.816，87.053，37.684m，1#縫垂直高度71.00m，2#縫垂直高度75.00m。

4.2 分縫形式

考慮到仿真計(jì)算假定的邊界條件與實(shí)際施工條件可能會(huì)有差異，壩軸線長(zhǎng)度不到150m，壩體設(shè)縫后不一定會(huì)完全張開(kāi)，若設(shè)置橫縫將人為的削弱拱壩整體性，且有礙碾壓混凝土通倉(cāng)澆筑，故2條縫均采用誘導(dǎo)縫。誘導(dǎo)縫上游面設(shè)置2道銅片止水，下游面設(shè)1道止?jié){片，縫內(nèi)安裝重復(fù)灌漿系統(tǒng)，灌漿區(qū)最大高度9.00m，最大面積150m2。

4.3 成縫方式

誘導(dǎo)縫采用預(yù)埋混凝土預(yù)制塊成縫，預(yù)制塊長(zhǎng)度1.00m，水平間距0.50m，垂直間距0.60m，對(duì)壩體斷面削弱約為20%。

通過(guò)工程實(shí)踐和分析總結(jié)，對(duì)成縫預(yù)制塊截面形狀進(jìn)行了改進(jìn):①預(yù)制塊采用“L”形截面，以減輕重量，方便現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)和安裝;②在預(yù)制塊“L”形截面內(nèi)側(cè)設(shè)置貼角，以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并方便碾壓混凝土施工和保證質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)經(jīng)對(duì)壩軸線、建基面和拱壩體型等幾方面的優(yōu)化，壩體混凝土減少8%，開(kāi)挖工程量減少22%，節(jié)約了工程投資。

(2)通過(guò)有限元仿真計(jì)算研究，合理選擇分縫數(shù)量、位置及型式，達(dá)到了有效控制壩體裂縫的目的。

(3)采用預(yù)埋混凝土預(yù)制塊成縫，為碾壓混凝土通倉(cāng)澆筑創(chuàng)造條件，充分發(fā)揮了碾壓混凝土快速施工優(yōu)勢(shì)。

(4)采用新型成縫預(yù)制塊，更方便現(xiàn)場(chǎng)施工和保證質(zhì)量。

［1］中華人民共和國(guó)水利部.SL 282—2003混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

［2］張國(guó)新，劉玉，楊波，等.洪渡河務(wù)川沙壩電站大壩有限元溫控仿真計(jì)算研究 ［R］.北京:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2005.