招徕河水电站碾压混凝土双曲拱坝设计 李海涛 ( 湖北省水利水电勘测设计院) 摘 要 招徕河水电站拱坝工程位于极不对称的V 形峡谷中，最大坝高1 0 7 m ， 顶厚6 0 m ，底厚1 8 5 m ，厚高比0 1 7 ，系水平向变厚、变曲率中心的对数螺旋线 型混凝土双曲薄拱坝。在充分考虑坝址的水文气象、枢纽布置、筑坝材料和施工 条件的基础上，因地制宜地采用碾压混凝土筑坝新技术。简化坝体构造、施工工 艺和温控措施，缩短了建设周期，节省了工程投资。 1 概述 招徕河水电站碾压混凝土双曲拱坝位于湖北省长阳县坝顶高程3 0 5 5 0 m ，最低建基面 高程1 9 8 5 0 m ，最大设计坝高1 0 7 m ，坝顶宽( 厚) 6 m ，坝底宽( 厚) 1 8 5 m ，厚高比0 1 7 ， 坝顶轴线弧长1 9 8 0 5 m ，相应弦长1 7 8 2 m ，其中左半弦长仅6 8 5 0 m ，河谷宽高比1 7 6 ，水 平拱圈轴线为对数螺旋线，正常蓄水位( 3 0 0 0 m ) 时，大坝承受8 4 3 3 1 2 6 k N 的库水压力， 单位坝高柔度系数1 3 3 7 ，应力水平系数1 4 6 4 ，单位水压力耗用混凝土0 0 2 6 4 m 3 k N 。 各种强度等级混凝土共计2 0 4 万m 3 。碾压混凝土9 0 d 龄期设计抗压强度不小于 2 0 M P a ，采用高掺粉煤灰富胶凝材料的碾压混凝土作为筑坝材料，通仓薄层碾压，全断面 整体连续上升。 2 拱坝的体形设计 经开挖设计，开挖后的坝顶弦长1 7 8 2 m 其中左半弦长仅6 8 5 m ，为了适应这种极不对 称的河谷特点，水平拱轴线比较了双圆心和对数螺旋线两种线型，对数螺旋线型拱具有坝 体扁平、应力分布均匀，推力角小，工程量较省等优点而被推荐。 2 1 拱轴线方程 任一高程拱轴线由左、右两段对数螺旋线组成。其极坐标方程为f D P 。e “，相应的直角 坐标参数方程为 f x 。一P o e 砷s i n ( + 汐) 一s i n 6 I Y ，= Y 。+ P o E c o s 6 一e 静c o s ( 声+ 汐) 式中k - - - - - ：t g O ，p o - - - - R o 1 + 五2 ，R R o e 妤 口对数螺旋线初始角； ? Z 6 仁纛T _ 表l拱坝体形参数表 高程( m )T c ( m )7 1 L ( m ) T ，( m ) R L ( m ) R ，( m ) 尻( 。)风( 。)丸( 。)南( 。) 3 0 5 56 0 06 0 06 0 01 0 0 3 4 91 3 9 8 3 18 5 5 39 1 2 24 2 8 5 04 6 3 7 2 9 07 5 0 0 7 5 7 27 5 1 09 0 9 0 31 3 1 0 4 7 8 7 5 38 6 7 3 4 4 5 3 9 4 7 6 2 4 2 7 01 0 0 01 0 8 0 01 0 9 0 08 0 8 91 1 4 5 3 58 1 0 28 1 1 14 6 7 64 8 7 1 2 5 01 2 0 71 4 3 61 3 7 6 67 2 4 2 19 4 1 5 47 2 3 97 8 7 24 7 9 1 84 6 9 9 4 2 3 01 4 1 8 11 7 8 92 1 5 9 76 4 6 8 77 2 0 6 07 0 4 38 2 8 34 8 4 84 6 2 4 2 1 01 6 8 3 12 1 0 72 2 7 0 1 5 6 7 3 35 0 7 3 6 8 3 9 2 9 6 7 14 3 4 2 34 0 5 0 0 1 9 8 51 8 5 01 9 0 01 9 0 05 1 6 1 33 9 9 7 11 0 7 2 71 1 3 9 82 5 9 4 02 3 9 2 0 注表中7 拱冠梁厚度；T L 、T ，左、右拱端的厚度；丸、j 5 r 左、右拱端中心角；R L 、R r 左、右拱 轴线在拱冠处的极半径；阢、晟左、右拱轴线的初始角的余角即卢= 9 0 。- - 0 。 2 3 拱坝应力计算 2 3 1计算工况 3 工7 正常蓄水位+ 泥沙压力+ 自重+ 设计正常温降。 正常蓄水位+ 泥沙压力+ 自重+ 设计正常温升。 校核洪水位+ 泥沙压力+ 自重+ 设计正常温升。 死水位+ 泥沙压力+ 自重+ 设计正常温升。 2 3 2物理力学参数 坝体混凝土 密度：苁一2 4 k N m 3 ； 弹性模量：E 。= 1 8 8 7 G P a ； 泊松比：版一0 1 8 ； 线胀系数：口= 0 7 1 0 _ 5 ； 基岩变形模量：1 0 1 2 G P a ，泊松比：0 2 5 。 2 3 3 约束条件 允许最大主压应力：5 5 M P a ； 允许最大主拉应力：1 2M P a ( 下游面) ，1 0M P a ( 上游面) ； 上、下游坝面允许倒悬度：0 2 5 ； 坝顶允许最小厚度：6 0 m ，坝体允许最大厚度：1 9 0 m ； 允许最大中心角：1 0 0 。，允许最大半中心角：5 0 。 2 3 4 计算方法及成果 将坝体划分为6 拱1 3 梁，先后运用上海院A D M 8 6 、中国水利水电科学研究院材料所 编“A D A S O ”和浙江大学“A D A O ”拱坝体型优化程序进行坝体应力计算，各种工况上游 面最大主压应力为4 8M P a ，最大主拉应力为0 9 9M P a ；下游面最大主压应力为5 1 7 M P a ，最大主拉应力为1 0 7M P a ，应力计算成果表明，采用对数螺旋线型混凝土双曲变厚 拱坝，有效地改善了不对称河谷的坝体应力。 2 4 坝肩稳定分析及计算成果 坝肩岩体主要为奥陶系下统南津关组第二、三段( 0 l n 2 - - 3 ) 中一厚层致密灰质白云岩及 灰岩等，岩层走向与两岸边坡走向近乎正交，表现为横向河谷，2 7 0 3 0 0 m 高程以下岩层 倒转，倾向上游，倾角6 6 。左右，2 7 0 3 0 0 m 高程以上岩层倾向下游，倾角1 5 。4 2 。岩体 中裂隙多以中陡倾角为主，两岸平硐中揭示的缓倾角裂隙多延伸不长，充填方解石或泥钙 质，一般未组合成不稳定岩体，坝址区缓倾向裂隙和断层不甚发育，左岸地表见F 。、F 。、F 。 等几条小规模断层，其中F 。断层分布在4 0 0 3 1 5 m 高程，位于坝顶高程以上，对坝肩稳定 无影响。F 。、F 。断层位于坝下游附近，倾向上游，产状较陡，裂面胶结良好，不临空。 由于坝肩无特定的软弱结构面可构成整体滑动的边界条件，下游无明显的横向结构面 切割，即无明显的临空面存在，从地形、地质条件分析，左坝肩抗滑稳定不存在问题。考 虑右坝肩下游不远处有一地形冲沟。其与层面和缓倾角裂隙J 。组合，可构成不稳定块体。 2 4 1 计算方法 主要采用刚体极限平衡法进行拱座稳定分析计算，公式如下： K 1 一E ( 、N P + C fA ) E T I - K 1 l 宁Z 8 式中K 1 、 K 1 抗滑稳定安全系数和允许的最小安全系数； N 垂直于滑动面的法向力； 乙T 沿滑动方向的滑动力； A 计算滑裂面的面积； 厂、c 7 摩擦系数及凝聚力。 2 4 2 计算工况 ( 1 ) 基本工况。水库正常蓄水位及相应的尾水位和设计正常温降等。 ( 2 ) 特殊工况。水库校核洪水位及相应的尾水位和设计正常温升等。 作用在滑移块体上的主要荷载有拱坝传给滑移体的力系( 包括拱的轴向推力H a 、径向 剪力V a ；梁的径向剪力y r 、切向剪力y t 及轴向垂直力H c ) 、滑移体白重、库水压力和扬 压力。 2 4 3 主要计算成果 主要计算成果列于表2 中。 表2右坝肩抗滑稳定分析成果表 计算工况 安全系数K 规范要求的最小安全系数 K 正常+ 温降8 8 5 3 O 校核+ 温升 8 6 l2 5 2 4 4 成果分析 从计算结果来看，抗滑稳定安全系数均满足要求，且还有安全裕度，故认为右坝肩是 稳定的。 需要说明的是，计算中假定各结构面完全相通，这与J ：规模小不切层，岩体深部J ：尖 灭消失，上下游方向也并未完全贯通等情况不相符。计算中按滑裂面全面积承受渗压，这 也与实际不完全相符。设计中在防渗帷幕后又布置了排水幕，在两岸山体中设嚣了排水洞， 这都有利于拱座的稳定。 3 坝体构造设计 坝体构造设计在满足使用要求的前提下，应尽量简化，以充分发挥碾压混凝土筑坝快 速、经济的特点。 3 1 混凝土分区 坝体碾压混凝土设计抗压强度采用9 0 d 龄期2 0 0 M P a 。坝体上游部位采用二级配碾压 混凝土，坝体内部采用三级配碾压混凝土。为加强坝体与基础面的结合，提高坝基面的抗 剪强度，同时为碾压混凝土旋工方便，找平地基，沿拱坝基础设置1 5 m 厚的常态混凝土垫 层，其设计强度和级配与相应部位的坝体混凝土相同。两坝肩与基岩接触部位以及坝内廊 道周边采用1 0 m 厚的等强度改性混凝土，与坝体碾压混凝土同仓上升。 3 2 坝体分缝及接缝灌浆系统设计 诱导缝具有坝体未冷却收缩时就能蓄水发电、造缝的工程量相对集中、适合全断面碾 37 9 压施工、快速施工、缝的构造形式简单、施工质量容易保证等优点，在普定( 坝高7 5 m ) 、 沙牌( 坝高1 3 2 m ) 、龙首( 坝高8 0 m ) 等碾压混凝土双曲拱坝中运用较为成功，因此，招 徕河水电站碾压混凝土拱坝在坝体上仍以设置诱导缝为主。根据温控仿真的分析成果并结 合结构布置，为减少施工期的温度应力，大坝共设置2 号、3 号、4 号三条诱导缝( 其中2 号、3 号缝部分为横缝) 和1 号、5 号两条横缝。诱导缝及横缝将坝体从右到左分成了1 、2 、 3 、4 、5 、6 等6 个坝段，其上游面坝顶弧长依次为2 2 2 8 m 、1 8 O O m 、3 4 O O m 、4 1 5 0 m 、 4 9 3 3 m 和3 1 9 0 m 。缝距符合碾压混凝土拱坝一般的温控防裂要求，两边坝块缝距略小，有 利于释放两坝肩基岩约束的影响。 诱导缝采用诱导成缝板成缝，以利于充分发挥大仓面机械化施工的优势。在诱导缝的 上、下游坝面布置跨缝的梯形槽，槽内浇筑变态混凝土。上游面槽内设一道紫铜止水片和 一道橡胶止浆片，下游面槽内设一道橡胶止浆片。并在槽内变态混凝土内沿诱导缝方向设 置诱导镀锌铁皮，形成薄弱环节，以保证诱导缝面的连续性，防止诱导缝附近坝面部位碾 压混凝土开裂。沿诱导缝隔一定高程铺设一条止浆片，与上、下游变态混凝土键槽内止浆 片形成一个闭合的灌区。 诱导缝通过布设双向间隔的诱导板( 诱导缝两侧对扣) 形成，诱导板单块长l O O c m 、高 2 5 c m ，诱导板之间水平间距2 0 c m ，上、下游坝面附近诱导板沿水平方向连续布置2 3 块。 横缝通过布设双向连续诱导板( 如1 号、5 号横缝，诱导板布设在横缝的一侧，诱导板单块 长l O O c m 、高2 5 c m ) 形成。 标准灌区由3 套灌浆管路和1 套排气管路形成，止浆片采用“6 5 4 ”型橡胶止浆片封闭 各灌区。灌区高度为5 7 8 4 m ，其中绝大多数灌区为高6 m 的标准灌区。水平止浆片要求 埋设在每3 0 c m 一层的碾压层上，一般不允许埋设在间歇层上，以保证止浆效果。 每一标准灌区高6m ，从下至上布置有3 套l i n ( 1 i n = 2 5 4 c m )