向富初
(澧水水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 張家界市 427200)
青年水電站砌石薄拱壩設(shè)計(jì)
向富初
(澧水水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院張家界市427200)
慈利縣青年電站1982年投產(chǎn)后,時(shí)隔22年工程改擴(kuò)建,漿砌石薄拱壩由原建32m加高至67m,河床中央部位壩體為定圓心,等外半徑,向兩岸調(diào)整為變圓心、變半徑、變中心角,壩體上游面向上游倒懸的趨于“扁平化”的體型布置,有利于改善兩岸壩肩巖體受力及穩(wěn)件條件,又可得到較為合理的壩體應(yīng)力分布。指明地方中小規(guī)模拱壩加高擴(kuò)建簡單可行的途徑,這也是青年電站薄砌石拱壩的顯著特點(diǎn)。
漿砌石薄拱壩壩肩應(yīng)力及穩(wěn)定條件倒懸改擴(kuò)建
青年水電站是全國首批農(nóng)村電氣化試點(diǎn)縣——張家界慈利縣電網(wǎng)中布置較為合理以發(fā)電為主的地方工程,位于三合鄉(xiāng)向家溪上游,電站正常蓄水位340.00m時(shí),相應(yīng)庫容為832萬m3,水庫校核洪水位345.80m時(shí),總庫容982萬m3,電站擴(kuò)建后,裝機(jī)容量為2240kW。砌石薄拱壩原設(shè)計(jì)壩高為64.00 m,原已建成32m,壩高程為318m,工程擴(kuò)建后最大壩高為67.00m,壩頂高程為347.00m,壩高增高了29.00m,最大壩體厚度12.00m,厚高比為0.179。工程始建于1976年,于1982年首臺(tái)125kW機(jī)組發(fā)電。2004年9月張家界澧水水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院提交了本電站擴(kuò)建工程初步報(bào)告,于2005年10月由慈利縣星源發(fā)電有限公司負(fù)責(zé)本電站的擴(kuò)建開發(fā),投資擴(kuò)建動(dòng)工興建。
青年電站壩址位于向家溪流入狹窄河谷地貌的前段,壩址兩岸地形整齊,山頂高程均在600.00m以上,兩岸岸邊較陡,約70°以上,高程380.00m以上,右岸巖坡比左岸偏緩。兩岸地形基本對(duì)稱,壩址地段河谷為典型的“V”型橫切河谷,河流流向與山體巖層走向近乎垂直,河谷寬高比(L/H)約0.86,為理想的建拱壩優(yōu)良地形。但右壩肩高程320.00m以上,岸坡變緩,壩肩后部基巖地形向內(nèi)收縮,稍顯單薄,對(duì)高程320.00m以上,右壩肩拱端合力的傳力方向與壩肩穩(wěn)定,略有影響。
壩址基巖為嘉陵江組中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r,巖性單一,巖體完整性較好,巖石縱密堅(jiān)硬,物理力學(xué)參數(shù)較高,參照同類地層江埡工程,其巖石飽和抗壓強(qiáng)度R6=(40~50)MPa,抗剪斷強(qiáng)度f=1.0(巖/巖),C1=0.8MPa。
3.1大壩布置
1981年4月青年電站砌石拱壩按原有等外半徑變中心角拱壩體型已施工到318.00m高程,2004年6月擴(kuò)建工程初步設(shè)計(jì)時(shí),大壩布置及拱壩體型根據(jù)已確定的壩軸線,在基本選定了拱壩體型的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本工程在原建318m以上壩體加高續(xù)建的“扁平”化措施是在河床中央部位偏右岸2m,采用壩上游面直立,兩岸逐漸向上游倒懸的變圓心、變半徑、變中心角的砌石拱壩,左、右兩岸壩體最大倒懸度分別為0.039∶1,0.163∶1,均小于規(guī)范規(guī)定值0.3∶1,庫空狀態(tài)倒懸壩段最大拉應(yīng)力為0.53MPa。“扁平”化布置使水平拱圈拱端內(nèi)弧面切線與同高程可利用基巖等高線之間的夾角增大5°~10°,均大于30°。附圖為大壩平面布置圖及中央梁剖面圖。
附圖 大壩平面布置圖及中央梁剖面圖
3.2壩體設(shè)計(jì)
采用彈塑性多拱梁分載法計(jì)算程序,將新老壩體劃分為5拱7梁,考慮四向變位調(diào)整即(徑向、切向、水平扭轉(zhuǎn)垂直扭轉(zhuǎn)、再徑向)進(jìn)行壩體應(yīng)力計(jì)算?;竞奢d組合考慮了正常溫降,特殊荷載組合考慮了正常溫升。計(jì)算結(jié)果列于表1。
表1 大壩控制應(yīng)力與最大位移
規(guī)定:拉應(yīng)力為負(fù),壓應(yīng)力為正;指向上游位移為正。
從表1可知,基本荷載組合最大主壓應(yīng)力為2.43 MPa,小于《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL25-91規(guī)定位4.7 MPa,最大主拉應(yīng)力為-0.811MPa,小于規(guī)范規(guī)定值1.0Mpa,特殊荷載組合,最大壓應(yīng)力2.99MPa,小于規(guī)范規(guī)定值5.5Mpa,最大主拉應(yīng)力為-0.829,小于規(guī)范規(guī)定值-1.0MPa。壩體應(yīng)力分布規(guī)律要合理,最大主壓應(yīng)力發(fā)生在拱端下游面,最大主拉應(yīng)力發(fā)生在拱端的上游面。壩體的徑向位移值均較小,對(duì)兩岸壩肩兩條層面小節(jié)理f1,f2的壓縮變形(f1、f2)的壓縮變形(f1、f2經(jīng)固結(jié)灌漿處理后)是有限的,均處于控制范圍內(nèi)。
3.3壩肩穩(wěn)定分析
向家溪豬槽潭壩址從地形地質(zhì)條件分析,是理想的拱壩壩址。兩岸壩肩略為發(fā)育的順層夾泥節(jié)理規(guī)模小,張開或延伸等發(fā)育程度低,基本上對(duì)壩肩穩(wěn)定不構(gòu)成威脅。右岸高程320.00m以上,拱端下游持力山體略顯單薄,通過壩體上部320m高程,采取向上游倒懸,變圓心、變中心角、變半徑的“扁平化”調(diào)整后,采用剪摩(抗剪斷)公式對(duì)拱端擬轉(zhuǎn)動(dòng)抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算,成果列于表2。
從表2可知,拱壩拱端轉(zhuǎn)動(dòng)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足《漿砌石壩提升規(guī)范》SL25-91要求。
表2 拱座轉(zhuǎn)動(dòng)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)
(1)中、低拱壩采用變圓心、變半徑、變中心角、壩體上部略向上游倒懸的體型,是一種可行的“扁平”化措施,有利于壩肩穩(wěn)定條件,又可得到較為合理的壩體應(yīng)力分布。從設(shè)計(jì)施工實(shí)踐角度指明了地方中小規(guī)模的拱壩加高擴(kuò)建簡單可行的途徑,這也是青年電站薄砌石拱壩的顯著特點(diǎn)。
(2)拱壩體型扁平化,其應(yīng)力分布與抗拉壓應(yīng)力極值有可能惡化,但大壩合理布置后,仍可得到可行的設(shè)計(jì),使拱端推力角偏向山里巖體深部約5°~10°。
(3)在拱壩壩肩有軟弱地帶的情況下,采用中部壩體定圓心,等外半徑、兩岸壩體采用變圓心、變
[1]朱伯芳.雙曲拱壩的優(yōu)化[J].水利學(xué)報(bào),1981,(2).
[2]張光斗,王珧倫.水工建筑物[M].北京:水利電力出版社,1992.
[3]王毓泰,周維恒.拱壩壩肩穩(wěn)定分析[M].貴州:貴州人民出版社,1982.半徑、變中心角的變曲率體型布置有條件的應(yīng)進(jìn)行三維有限元應(yīng)力計(jì)算,并加強(qiáng)基座的基巖處理。
向富初(1971-),男,大學(xué)??疲こ處?,主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。
(2016-07-14)