巖土工程師輔導(dǎo)：電站混凝土重力壩方案設(shè)計(jì)

　　1.設(shè)計(jì)基本資料

　　1.1基本概況

　　高鳥橋電站位于榕江縣西北面、平永河上游，距榕江縣城35公里，地處縣內(nèi)平江鄉(xiāng)與平永鎮(zhèn)交界。距平永鎮(zhèn)所在地4公里，平江鄉(xiāng)所在地15公里。壩址以上集雨面積為240Km2，多年平均年徑流量為1.832億m3，多年平均徑流5.81m3/S，多年最枯日平均流量0.7m3/S.由于流域植被較好，兩岸大部分都是基巖，故除短暫洪水期外，河水清澈，含泥量較少。高鳥橋電站工程設(shè)計(jì)水頭為15米，攔河壩高28.77 m，工程等別為四等，攔河壩為Ⅳ級(jí)建筑物。

　　1.2水文氣象資料

　　1.2.1水庫(kù)特性

　　本方案電站壩址選在上軸線。按電站工程洪水計(jì)算規(guī)范，校核洪水取200年一遇，設(shè)計(jì)洪水取30年一遇進(jìn)行計(jì)算。壩址下游無(wú)防洪要求，溢流壩堰頂不設(shè)閘門，故取正常蓄水位與堰頂高程一致。經(jīng)計(jì)算，其特征水位及相應(yīng)下泄流量。

　　1.2.2氣象資料

　　本流域位于雷公山暴雨中心邊緣，系黔東南地區(qū)穩(wěn)定多雨區(qū)，年平均降雨量約為1345.6┨，多年平均徑流深655┨，年平均氣溫16.4℃，極端最低氣溫-7.6℃，極端最高氣溫37.5℃，年平均相對(duì)濕度80%，無(wú)霜期282天。全年氣候溫和，雨量充沛，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。

　　1.3壩址地質(zhì)條件

　　擬建壩址為陡立型橫向河谷，巖層傾向上游，持力層巖石堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，基巖節(jié)理裂隙雖然比較發(fā)育，但傾角都比較大，未發(fā)現(xiàn)緩傾裂隙的存在，對(duì)大壩穩(wěn)定影響不大;壩址下游雖然存在一小斷層F4，但未發(fā)現(xiàn)其貫穿庫(kù)區(qū)，對(duì)水庫(kù)的影響不大;此外，河床比較狹窄，覆蓋層較薄。根據(jù)提供的地質(zhì)報(bào)告資料，壩址巖石摩擦系數(shù)f為0.5～0.65，內(nèi)聚力C為0.25～0.3┧/┩2。不足之處是壩肩巖體卸荷裂隙比較發(fā)育，風(fēng)化程度較深，開(kāi)挖量較大;斷層F4延伸至壩址左岸山體，若建拱壩對(duì)左壩肩的穩(wěn)定可能有一定影響。

　　1.4天然建筑材料

　　本區(qū)附近只有一處天然砂場(chǎng)，在弄子口寨腳河道轉(zhuǎn)彎處，距工地約500米，該砂場(chǎng)儲(chǔ)量較小(約1000立方米)，且砂礫中含軟弱顆粒及含泥較重，質(zhì)量較差，建議不用。在壩址上游約100米及300米處，下游約150米處，基巖裸露，分布著厚至塊狀變余砂巖和中厚層粉砂質(zhì)板巖，巖石堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高，可供開(kāi)采塊石及機(jī)械加工砂石料，其儲(chǔ)量豐富，可以滿足工程建筑材料的需求。建議壩址上游石場(chǎng)開(kāi)采4000立方米左右，其余的在壩址下游石場(chǎng)開(kāi)采。

　　1.5水庫(kù)淹沒(méi)

　　重力壩溢流堰高15米，蓄水后，淹沒(méi)農(nóng)田1.33畝，旱地0.25畝，林地118.66畝，浸沒(méi)公路涵洞、橋梁基礎(chǔ)各一座，需加固處理;淹沒(méi)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和開(kāi)發(fā)價(jià)值的礦產(chǎn)及文物古跡分布，水庫(kù)淹沒(méi)損失較小。

　　2.樞紐總體布置

　　2.1壩軸線選擇

　　在壩址地形圖上選兩條壩軸線，即上壩軸與下壩軸進(jìn)行比較。通過(guò)比較，上壩址基巖傾向上游，兩岸基巖裸露，河床覆蓋深在6米以內(nèi)，滲漏問(wèn)題不嚴(yán)重。根據(jù)釬探資料，河床覆蓋層最厚6米，最薄0.3米，清基工程量不大。該壩址河流順直，水流條件好，下泄水流離主河道左岸彎曲段遠(yuǎn)。綜合上述地質(zhì)、地形、水流等方面的條件，上壩軸線較下壩線條件優(yōu)越，故采用上壩線作為本工程壩軸線。

　　2.2壩型選擇

　　根據(jù)上述所提供的地形、地質(zhì)條件及水文氣象資料，進(jìn)行綜合分析如下：

　　電站擬選壩址河谷呈“U”型，寬高比達(dá)3.1以上，拱的作用小，兩岸山體穩(wěn)定性較差，并因洪水流量大，泄洪建筑物較難布置，故放棄拱壩設(shè)計(jì)方案。電站附近，筑壩土料缺乏，同時(shí)壩址位置較窄，無(wú)法布置溢洪道，如布置溢洪道，還需對(duì)左壩肩進(jìn)行大面積的開(kāi)挖，有可能造成壩體穩(wěn)定性差，工程量大，造價(jià)高，也是不可取的。

　　若采用重力壩方案。其筑壩材料可用砼和漿砌石兩種材料，能使該工程充分利用現(xiàn)有的自然條件，且泄洪建筑物容易布置，施工導(dǎo)流易于解決。居于漿砌石和純混凝土兩種壩型而言，漿砌石重力壩雖然水泥用量少，投資小，但不能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工，人工砌筑，壩體質(zhì)量難以控制，工期長(zhǎng)，是不可取的;另外，隨著改革的深入，施工質(zhì)量和進(jìn)度都將受到合同和國(guó)家法律的約束。因此，唯有混凝土重力壩才是較理想的壩型，它能滿足由于施工工藝、組織管理和機(jī)械設(shè)備使用水平的迅速提高而使工程早日完工的要求。

　　重力壩按壩體的結(jié)構(gòu)形式，可分為實(shí)體重力壩、寬縫重力壩和空腹重力壩三種。實(shí)體重力壩的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)施工方便，其問(wèn)題是揚(yáng)壓力大，材料抗壓強(qiáng)度不能充分發(fā)揮?？崭怪亓?、寬縫重力壩則可以利用空腹和寬縫排除壩基的滲透水流，有效減少揚(yáng)壓力，較好地利用材料的抗壓強(qiáng)度，可減少10%～30%的工程量，可降低工程造價(jià)，但其模板用量大，施工工藝復(fù)雜，需專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行施工。

　　綜合上述多方面因素，實(shí)體壩雖然工程量大，但由于其體型簡(jiǎn)單、施工方便、工期短，工程可提前發(fā)揮效益，從而使工程投資可以得到補(bǔ)償，混凝土實(shí)體重力壩有利條件較多，故擬定為本工程的最優(yōu)壩型。

　　3.工程布置與壩體構(gòu)造

　　根據(jù)規(guī)范規(guī)定，大壩工程等級(jí)為四等，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物級(jí)別5級(jí)。大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核。攔水壩為實(shí)體重力壩，壩頂總長(zhǎng)62米，最大壩高28.77m，主要由非溢流壩段、溢流壩段和兩側(cè)導(dǎo)流墻組成，其建筑材料均為C15混凝土澆筑。

　　3.1非溢流壩結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

　　根據(jù)前述，非溢流壩壩頂高程為356.17m，擬定壩頂寬3m，上游壩坡為垂直面;下游壩坡在高程356.17m～349.82m段為垂直面，351.42m以下坡度為1：0.6.重力壩根據(jù)工程地形地質(zhì)條件，未考慮設(shè)排水溝和防滲帷幕，壩頂不設(shè)防浪墻。工程不考慮地震及冰凍作用，其抗滑穩(wěn)定計(jì)算按分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)法計(jì)算;應(yīng)力分析計(jì)算采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

　　3.2溢流壩結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

　　溢流壩段位于河床中間，有利于泄洪時(shí)水流順暢，主河槽基巖好，抗沖能力強(qiáng)。結(jié)合實(shí)際情況，本工程壩頂溢流采用不設(shè)閘門的壩面溢流形式，堰頂高程與正常蓄水位齊平，即堰頂高程為349.82m，堰寬40米，堰上最大水頭5.39m.溢流堰上游堰頭曲線采用三圓弧形曲線，堰面曲線采用冪曲線，曲線末接1：0.6的直線段，其末端則以挑角15o、曲線半徑為3.8m的反弧鼻坎。溢流壩最大堰高22.42m，最大底寬16.5mm(基礎(chǔ))，堰頂最大下泄流量為1079.9m3/s.根據(jù)鼻坎應(yīng)高于下游水位1m左右的要求，確定挑流鼻坎高程為?坎=337.4m.

　　3.導(dǎo)流墻

　　導(dǎo)流墻是溢流壩邊墩的延長(zhǎng)，其作用是分隔溢流壩和非溢流壩，通過(guò)水力計(jì)算決定出其高度和長(zhǎng)度，最后按結(jié)構(gòu)要求擬定出厚度。

　　本方案不考慮洪水對(duì)壩下建筑物的影響，水流壅高及超高取1.53m，鼻坎處導(dǎo)流墻高度為3.0m，導(dǎo)流墻在鼻坎處坎頂高程為340.4m.經(jīng)計(jì)算，堰頂外側(cè)邊緣末高程為349.28m，導(dǎo)流墻高度為3.0m，根據(jù)溢流面曲線特征，則壩面導(dǎo)流墻高度與壩面法向高度為3米，即按壩面線平移3米得出導(dǎo)流墻邊緣線，其下游與鼻坎處導(dǎo)流墻相交。據(jù)此得壩頂導(dǎo)流墻高程為352.52m.最終擬定導(dǎo)流墻頂厚0.5m，迎水坡度1：0，背水面坡度1：0.3.

　　結(jié)論：通過(guò)對(duì)高鳥橋電站混凝土重力壩的選型及方案比較，所確定的混凝土壩為當(dāng)前應(yīng)用較普遍的壩型，其穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算是大壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)采用分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)法和概率極限狀態(tài)法計(jì)算的大壩穩(wěn)定及應(yīng)力設(shè)計(jì)值均已滿足規(guī)范要求。在今后的工作實(shí)踐中，如何合理擬定壩體尺寸，有效確定分項(xiàng)系數(shù)及結(jié)構(gòu)系數(shù)等基本參數(shù)將是我們值得研究和探討的主要課題。

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