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下坝水库砼砌毛石重力坝枢纽布置及结构计算

更新时间:2009-03-28

1 工程概况

下坝水库位于贵州省开阳县东北部宅吉乡官庄村下坝组,距宅吉乡约5.5 km,距开阳县城约45 km。其坝址位于龙洞湾河中游,龙洞湾河一级支流甘溪沟与干流汇口处。坝址以上流域集水面积7.4 km2,主河道长3.73 km,加权平均比降23.7‰,其中坝址以上干流部分集水面积4.6 km2,主河道长4.03 km,河床平均比降19.7‰;坝址以上甘溪沟支流部分集水面积2.8 km2,主河道长3.43 km,河床平均比降30.7‰。水库正常蓄水位为895 m,拟建最大坝高为28 m,库容124万m3。工程主要任务为集镇和农村人畜供水、灌溉。工程为Ⅳ等小(1)型工程。

2 坝址区地质条件

坝址河床较平直,流向总体为N25°E,河谷为近对称浅切宽缓“V”型谷,最低高程876.55 m,过水通道宽5~7m,枯水季节河沟内无水流,河谷比降约1%。河谷高程876.55~895 m,河谷底部宽95 m。正常蓄水位895m时,河谷宽度254m,宽高比为6.8∶1.0(见图1)。

金融活、经济活,金融稳、经济稳。农民信用合作是培育新型农业经营主体,促进农村一二三产业融合发展的融通动力。金融已成为资源配置和宏观调控的重要工具,成为推动经济社会发展的重要力量,农民信用合作是完善农业支持保护制度、健全农业社会化服务体系、实现小农户和现代农业发展的桥梁纽带。

坝址河谷为横向谷,坝址区无断裂构造分布,岩体中主要结构面为岩层面及裂隙面。坝址岩层倾向下游,产状N65°W/NE∠22°,河谷走向N25°E,河床位置岩层走向与河流交角90°,河谷为横向谷。坝址河段河床基岩出露,为二叠系下统栖霞组(P1q)灰、深灰色中厚层灰岩,两岸坡平缓地带为第四系(Q)黄褐、黄色粘土层覆盖两岸坡较陡处基岩出露,斜坡段为基岩出露。根据地质调查及钻孔揭露,坝址河段分布地层岩性主要为二叠系下统栖霞组(P1q)之深灰色中厚层灰岩,梁山组(P1l)之灰黑色炭质页岩及寒武系中上统统娄山关群组(∈2-3ls)之浅灰、黄灰色泥质白云岩及灰色白云岩,为强可溶岩夹相对隔水层及弱可溶岩。

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非溢流坝段:上游坝坡垂直,下游坝坡为1∶0.75,折坡点高程893.50 m。

  

图1 坝址地形地貌图

3 砼砌毛石重力坝整体枢纽布置

3.1 首部枢纽布置

下坝水库水源工程枢纽整体布置,由C15砼砌毛石重力坝、坝顶自由溢流表孔、右岸取水兼放空底孔等水工建筑物组成(见图2)。

  

图2 砼砌毛石重力坝枢纽布置

下坝水库坝址具有唯一性,所选坝址位于龙洞湾消洞上游约400 m处,坝址河床较平直,河流流向N25°E。河床最低高程876.80 m。河谷为近对称的浅切宽缓“V”型谷。河床最低高程876.80 m,河流过水通道宽2~5 m,靠左岸流向下游,河谷比降约1%。坝址河谷高程876.55~895 m,河谷底部宽95 m,正常蓄水位895 m时,河谷宽度254 m,宽高比为6.8∶1.0。坝址区无断裂构造分布,岩体中主要结构面为岩层面及裂隙面。坝址岩层倾向下游,产状N65°W/NE∠22°,河谷走向N25°E,河床位置岩层走向与河流交角90°,河谷为横向谷。坝址无深大断裂构造通过,主要发育12组裂隙。

3.2 坝体结构布置

坝体断面应满足坝体及坝基的稳定和应力控制条件,布置上力求简单,方便施工和满足结构布置要求[2]。坝体上游坝坡选择范围定为1∶0~1∶0.2,下游坝坡范围定为1∶0.6~1∶0.8,断面优化参数还包括上下游折坡点高程。在满足坝体强度和稳定承载能力极限状态下和满足上、下游拉应力极限状态的条件下,取单位宽对坝体断面进行设计。建基面岩体由中厚层灰岩、薄层炭质页岩、薄层泥质白云岩、中至厚层白云岩组成,按所采用的地质参数,依据规范要求进行稳定和应力计算,反复进行修正,最终确定大坝断面参数如下:

下坝水库推荐坝型为C15砼砌毛石重力坝,坝址河谷高程876.55~895 m,河谷底部宽95 m,拟建大坝正常蓄水位895.00 m高程时河谷宽157 m,河谷为近对称的浅切宽缓“V”型谷,宽高比为6.8∶1.0。根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)要求,当坝高小于50 m时,建基面可建在弱风化中部至上部基岩上[1]。下坝水库重力坝坝高28 m,建基面置于弱风化中上部基岩上,即河床段建基面高程871.00 m,坝轴线方位角SE115°。坝顶宽度既要满足最小交通要求,同时还要满足砌石重力坝的施工要求。因此,坝顶宽度设计4.5 m,坝顶高程899.00 m,最大坝高28 m,坝顶长度178.0 m。

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坝区岩体节理裂隙较发育,岩体风化强烈,其风化特征主要表现为沿层面及节理裂隙风化溶蚀剥蚀,强风化带岩石风化裂隙发育,沿结构面充泥现象普遍,岩石断口较新鲜但岩石表面或裂隙面基本变色。岩体风化以沿层面及裂隙面溶蚀风化为主,风化主要沿裂隙面及层面扩展发生,强风化带裂隙多张开较大,且夹泥现象普遍,少量裂隙表面具铁质浸染现象,钻探过程中强风化层岩芯完整性差,多为50%以下,岩石新鲜断面颜色相对弱风化层较浅。由于坝址处岩溶发育区,强风化层及岩溶发育段岩体孔壁破碎易掉块。

溢流坝段:水库工程等别为Ⅳ等,工程规模属小(1)型,由于泄水量不大,鉴于小型水库人员配置较少,为减少后期大坝维护管理成本,大坝采用无闸门控制方案,泄洪方式考虑为无闸溢洪,溢流坝段布置在河床中部靠左岸坝段,溢流坝段长7 m,起点桩号坝横B0+084.0,终点桩号坝横B0+091.0,溢流堰采用无闸控制的开敞式表孔自由溢流,按1孔布置,孔口净宽5 m。堰顶高程895.00 m,堰型采用WES型实用堰,实用堰堰面曲线方程y=0.303x1.85,采用底流消能,反弧段半径R=8 m,反弧段圆心角53°,下游设置钢筋砼护坦,护坦底板高程873.00 m,消力池长15 m,宽5 m。

3.3 坝基处理

3.3.1 基础开挖

坝基(肩)岩层产状N65°W/NE∠22°,岩层走向与河谷走向夹角约90°,坝址河谷为横向谷,岩层倾向下游。岩石为薄层泥质白云岩、中至厚层白云岩。上部岩体破碎,完整性较差,节理裂隙发育,经调查,坝址共发育14组裂隙,其中河床发育5组,左坝肩发育4组,右坝肩发育5组。坝址地表岩体裂隙多张开,少闭合,受风化影响裂隙填充物多被风化掉或被第四系粘土或岩屑充填,多延伸至弱风化层。裂隙发育频度普遍为2~6条,间距0.16~0.5 m,普遍为闭合至25 cm,多为1.0~10.0 cm,张开度为稍张至张开状。延伸较长,多为2~10 m,裂隙多延伸贯穿岩层,延续性差至中等,裂隙结构面多平直光滑,起伏较小。

3.3.2 大坝防渗帷幕灌浆、固结灌浆

1.商品的过度包装加重了消费者的经济负担,包装成本最终通过商品价格转移给消费者。商品的包装更多是保护商品免于受损,或者表现商品的相关特点,其本身并没有实用价值。比如,在天价月饼中,很多月饼的包装极其奢华,花样繁多,但是整个包装盒子并没有食用价值。

由于库区两岸水位均低于水库正常蓄水位,且水力坡降较缓,推测地下水与正常蓄水位交点延伸较远,故综合钻孔压水试验、地下稳定水位,结合岩性分布规律,左岸防渗帷幕边界为稳定地下水位与正常蓄水位相交并嵌入20 m,右岸帷幕边界为地下水位交梁山组页岩并嵌入30 m。帷帷幕线总长2 190 m,分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ区,即:①Ⅰ区(左岸)为地表灌浆,单排布孔,孔距2 m,帷幕底界深入地下水位20 m;②Ⅱ区(左岸)为上层(1#)平洞灌浆,单排布孔,孔距2 m,帷幕底界深入地下水位20 m;③Ⅲ区(坝体)通过廊道和砌筑平台进行灌浆,单排布孔,孔距2 m,以龙洞湾排泄基准面以下20 m,既高程780 m为帷幕底界;④Ⅳ区(右岸)为地表灌浆,单排布孔,孔距2 m,帷幕底界深入地下水位20 m;⑤Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ区为上层(2#)平洞灌浆。其中:Ⅴ区单排布孔,孔距2 m,以地下水位以下20 m为帷幕底界,Ⅵ区双排梅花形布孔,排拒1.5 m,孔距3 m,因该段穿断层F1,帷幕底界以龙洞湾排泄面800 m为准,Ⅶ区单排布孔,孔距2 m,以地下水位以下20 m为帷幕底界。下层灌浆平洞长250 m,双排梅花形布孔,排拒1.5 m,孔距3 m。上下层平洞通过搭接灌浆衔接。帷幕灌浆孔共1 300个,帷幕灌浆面积130 690㎡,总进尺74 800 m,有效进尺70 770 m,无效进尺4 030 m,套管耗材4 720 m。

4 砼砌毛石重力坝结构设计与计算

4.1 坝顶高程确定

综合考虑溢洪道交通桥孔净高满足泄洪要求,坝顶高程按不低于水库校核洪水位897.82 m确定,溢洪道交通桥梁高为1.0 m,综合考虑选取坝顶高程为899.00 m,由于坝顶高程比计算的防浪墙顶高程898.42要高,故坝顶上游不考虑设防浪墙。

 

表1 坝顶高程计算成果表

  

正常蓄水位校核洪水位895.00 897.72 18 45 320 320 0.52 0.31 0.164 0.089 0.4 0.3 896.09 898.42

根据调洪计算成果,大坝设计洪水位(P=3.33%)897.06m,相应下游水位878.11m,下泄流量30.4m3/s;大坝校核洪水位(P=0.5%)897.72 m,相应下游水位878.44 m,下泄流量46.6 m3/s;水库正常蓄水位为895.00 m。根据《砌石坝设计规范》(SL25-2006)、《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005),坝顶高程应高于校核洪水位,坝顶上游侧防浪墙顶高程应高于波浪顶高程[3,4]。坝顶高程计算考虑两种工况:①正常蓄水位+风浪影响;②校核洪水位+风浪影响。计算得各工况条件下坝顶高程成果见表1。

4.2 大坝抗滑稳定分析

大坝稳定计算分两种情况:①沿坝基面的抗滑稳定;②沿坝基岩层深层面滑动的稳定。

农夫山泉有点甜——论韩少功《山南水北》中的乡土书写 …………………………………………………………… 甘林全(4/70)

4.2.1 沿坝基面的抗滑稳定

重力坝荷载包括水压力、扬压力、浮托力、渗透水压力、自重、浪压力和泥沙压力等,下坝水库不考虑抗震设防。大坝荷载分为正常工况(基本组合)和非正常工况(特殊组合),正常工况对应正常蓄水位情况和设计洪水位情况,非常工况对应校核洪水位情况[5]

肾上腺为腹膜后位器官,毗邻器官较多,左肾上腺根据其前方在不同的断面毗邻器官,分别为胃底、胰体、降结肠、脾及其动静脉等。毗邻肾上腺的结构发生病变形成类似囊实性肿物时,在影像学容易表现为左肾上腺来源的肿物。故CT读片时未引起注意而易误诊为肾上腺肿瘤或囊肿[4-5]。

为加强基岩的整体性和均一性,提高基岩的整体质量,减少坝基渗透性,设计对坝基进行固结灌浆处理,固结灌浆孔深6 m,呈梅花形布置,孔、排距均为3 m。固结灌浆范围3 052 m2,固结灌浆孔332孔,进尺约2 000 m。

4.2.2 深层抗滑稳定计算(溢流坝段和非溢流坝段)

下坝水库砌石重力坝坝高28 m,基础应开挖至基岩的弱风化中部至上部。据已查明地质情况,开挖深度5~8 m,开挖坡度1∶0.5,基础开挖后用C15砼作垫层处理,垫层厚1 m。

4.2.3 抗滑稳定计算物理参数及荷载组合

筑坝材料容重为23.00 kN/m3;水容重为9.8 kN/m3;混凝土容重为24 kN/m3;钢筋混凝土容重为25 kN/m3;混凝土泊松比为0.17;垫层砼/基岩摩擦系数为0.7;坝基承载力为2.5 MPa;垫层砼/基岩凝聚力C'=0.60 MPa。

“用逆境磨砺斗志”,正可用来描述医院2001年开始“二次创业”走出发展低谷的过程。时年,温秀玲担任沧州市传染病医院院长至第七个年头,她让这家濒临倒闭的医院起死回生并跻身省内一流传染病医院。沧州市委正期待这一奇迹可以在当时已处于省内中下游位置的中心医院再现。

抗滑稳定和应力计算的荷载组合分基本组合和特殊组合两种[6],即:正常蓄水位(EL.895.00 m)基本组合①:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+土压力;设计洪水位基本组合②(EL.897.06 m)和校核洪水位特殊组合③(EL.897.72 m):自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力+土压力。

4.2.4 坝体抗滑稳定计算

根据抗剪断强度公式,按不同组合工况对大坝抗滑稳定进行分析,计算成果见表2。

从表2可知,采用抗剪断强度公式计算,基本组合时安全系数K'值最小为3.03,特殊组合时安全系数K'值最小为2.96,均发生在非溢流坝段深层,各特征值均大于规范要求的3.0(或2.5)限值指标。坝基抗滑稳定安全系数,均满足规范要求,坝体抗滑稳定性较高。

 

表2 大坝抗滑稳定计算成果表

  

非溢流坝段非溢流坝段溢流坝段溢流坝段K'(坝基)K'(深层)K'(坝基)K'(深层)4.30 3.38 3.89 3.20 3.65 3.03 3.87 3.29 3.50 2.96 3.73 3.69基本组合安全系数K'要求>3.0,特殊组合安全系数K'要求>2.5

4.3 坝体应力分析

坝体应力是运用材料力学方法计算,坝体材料为C15毛石砼重力坝,将坝体视为一个刚体。根据《砌石坝设计规范》(SL25-2 006),应力控制标准为:各种荷载组合情况下在计入扬压力时坝基面所承受的最大垂直正应力σymax应小于坝基允许压应力;最小垂直正应力σymin应大于零。计算得运用期不同组合工况下应力计算成果见表3。

 

表3 大坝应力计算成果表

  

最大垂直正应σyu/kPa最小垂直正应力σyd/kPa 222.47 304.30 102.35 384.74 65.46 415.16压应力2.0~2.3 MPa,承载力2.0 MPa

查《砌石坝设计规范》(SL25-2 006),料场岩石单轴饱和抗压强度为42.9 MPa,C2815混凝土砌毛石强度标准值为7.0 MPa,C2815混凝土砌毛石允许压应力为2.0~2.3 MPa,地基的最小允许承载力2.0 MPa。表2中应力计算成果表明,大坝最大和最小应力均满足规范要求。

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5 结论

下坝水库坝址区河床较平直,河谷为近对称浅切宽缓“V”型谷。坝基(肩)岩体为中硬岩夹软质岩,能满足重力坝荷载需求。坝址区节理裂隙发育,经处理后能满足坝基、肩抗滑稳定需求。为确保水库枢纽建筑物具有较高安全可靠性,在大坝整体布置和结构计算中进行了详细论证分析,优选技术合理和经济优越的设计方案,为工程施工建设提供重要技术保障。

(1)根据坝址区地形地貌和水文地质条件,结合筑坝材料、施工布置、建设工期等因素,设计优选工程布置紧凑、工程量较省、主体投资较优的C15砼砌毛石重力坝方案;

(2)3种不同工况计算确定坝顶高程为899.00 m,坝顶不设防浪墙。经坝基固结灌浆、帷幕灌浆防渗等工程措施处理后,基岩整体性、均一性和质量得到提高,成库条件良好;

(3)结合地质分析成果,对优选的砼砌毛石重力坝进行了抗滑稳定性和应力分析,计算结果表明:不同组合工况条件下,坝体整体抗滑稳定安全系数和应力指标均满足规范要求。

参考文献

[1]杨成光.淑雅溪水库砌石重力坝与左岸土坝接头方案的探讨[J].甘肃水利水电技术,2014,50(9):43-44.

[2]闫顺喜.细石混凝土砌石坝质量控制问题研究——杜河水电站细石混凝土砌石重力坝施工实践[J].地下水,2003,25(2):125-126.

[3] 张剑敏.提高桃源水库砌石重力坝埋石率的措施[J].广西水利水电,2016(3):51-54.

[4] 孙 翔,潘自恒,张志彦,等.石步河水库工程碾压混凝土重力坝设计[J].水利规划与设计,2016(8):109-112.

[5] 张志刚,邓 钦.某水库浆砌石重力坝的稳定分析及应力计算[J].水利科技与经济,2015(5):11-13.

 
代彬彬,朱晓萌,杨冰
《广西水利水电》 2018年第01期
《广西水利水电》2018年第01期文献

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