克林水电站混凝土拱坝设计.pdf

广西水利水电 GU A N G X I WA T E R R E S O U R C E S &H Y D R O P O WE R E N G I NE E R I N G 2 0 1 3 ( 3 ) 规划设计 克林水电站混凝土拱坝设计 刘范学 ( 玉林市水利电力科学研究院， 广西玉林5 3 7 0 0 0 ) [ 摘要】 结合克林水电站拱坝地形地质条件 ， 从应力计算 、 传力墩设计等几方面介绍了拱坝设计的基本思路及设计 要点。 【 关键词】 拱坝 ； 传力墩； 应力计算； 位移； 稳定分析； 克林水电站 [ 中图分类号】 T V3 1 4 [ 文献标识码】 B [ 文章编号】 1 0 0 3 — 1 5 1 0 ( 2 0 1 3 ) 0 3 — 0 0 3 3 — 0 3 1 概述 克林水电站工程坝址位于西林县那劳乡那劳 村那伏屯， 距西林县城5 8 k m， 座落在右江干流驮娘 江的一级支流克林河下游， 距克林河口2 0 ．5 k m 。是 一 座以发电为主， 兼顾防洪 、 灌溉的水利枢纽工 程。水库总库容1 3 6 5 万i n ， 电站装机容量2 1 M W， 属 Ⅲ等工程。工程主要建筑物包括混凝土双曲拱坝、 压 力隧洞、 发电厂房、 变电站等， 于2 0 0 8 年5 月建成运行。 2 坝 址工程 地质Ⅲ 2 ． 1 左 、 右岸及河床地质 坝址河谷横断面呈“ V ” 字型， 河床宽2 2 m， 坝顶 河谷宽 1 2 7 ．2 In 。河谷流向S E 1 1 5 。 。河床底高程 6 1 8 ． 5 m， 左岸山顶高程为7 2 6 in ， 自 然坡度4 0 。 一 5 0 。 ； 右岸山顶高程为7 8 5 m， 自然坡为3 3 。 一 5 0 。 。两岸地 形基本对称。开挖后基岩断面呈梯形。坝址地层 由三迭系中统百逢组( T 2 b f ) 、 第 四系组成。岩性以 砂岩、 泥岩 、 砂岩夹泥岩为主。 2 ． 2 构造 坝址区主要为褶皱构造， 褶皱轴线大致与河谷 平行。河床坝中心处为一向斜核部 ， 构成河谷两岸 岩层与地形一致， 左岸6 7 0 in 高程以上为一背斜； 右 岸6 5 0 m高程处为一背斜， 6 8 0 in 高程处为一向斜。 左岸舒缓 ， 右岸较紧密。坝区没有断层发育 ， 但岩 石节理尤风化节理较发育， 构造裂隙有为上述的4 组。 2 ．3 软弱夹层及泥化夹层 已风化成白色， 虽是中厚层状， 但内部片理发育， 片 理间距2 — 1 0 c m， 顺层， 大部矿物已变成高岭土、 泥 质， 结构疏松， 可塑性强， 遇水崩解。类似的在左岸 有7 层， 厚度不等， 累计厚5 ．6 m 。 ( 2 ) 右岸。软弱夹层及泥化夹层共7 层， 总厚度 为0 ． 7 7 m 。其中有3 层泥化夹层， 分别出露在6 5 0 n l 及6 5 8 in 高程处， 厚度均为5 c m， 为薄层泥岩上下层 面处发生泥化 0 ． 5 — 1 ．5 c m， 往中间逐渐过渡到较新 鲜泥岩。 3 拱坝设计 3 ． 1 特征水位及相应流量 根据水库 的调洪成果 ， 水库 正常蓄水位为 6 6 6 ．O 0 m。设计洪水位为6 7 0 ．0 2 In ， 相应下泄流量 为6 4 6 m 3／ s 。校核洪水位为6 7 0 ． 6 9 in ， 相应下泄流量 为 8 3 1 m ／ s 。 3 ． 2 坝顶高程确定 根据《 混凝土拱坝设计规范} ( S L 2 8 2 --2 0 0 3 ) 规 定 ， 坝顶高程应不低于校核洪水位， 防浪墙顶高程 等于水库静 水位与超 高之和 ， 按规 范相关公式 计 算， 计算结果见表 1 。 表1 防浪墙顶高程计算成果表 m 计 算 工 况水 位波 浪 高 波 朝 2 库 校核洪水位 6 7 0 ． 6 9 0 ．6 5 0 ． 1 8 安全防浪墙顶 超高 高程 0．4 6 6 7 ． 8l 0 ． 3 6 71 ． 8 2 本工程非溢流段坝顶高程定为6 7 1 ． 5 1 m， 结合 ( 1 ) 左岸。6 5 0 m 平台处有—软弱夹层， 厚1 1 0 c m， 栏杆设防浪墙 ， 墙顶高程6 7 2 ．6 1 m 。 【 收稿日期】 2 0 1 3 - 0 4 - 0 3 [ 作者简介】 刘范学( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 广西容县人， 玉林市水利电力科学研究院工程师， 学士， 主要从事水利水电工程科研设计及检测工作。 3 3 刘范学 ： 克林水电站混凝土拱坝设计 3 ． 3 拱坝布置及几何尺寸初定 根据拱坝断面尺寸拟定的一般原则， 初步拟定 坝顶厚4 ．0 m， 坝顶 中心角 。= 1 0 6 。 ， 坝底中心角 2 = 5 1 ． 2 。 ， 坝底厚度 l 6 ． 3 5 m， 坝顶下游面最大倒悬 度 0 ．2 3 4 ， 坝底上游面最大倒悬度为第 6 层拱端 ( 6 2 6 ．1 4 m ) 倒悬度0 ．2 4 8 。拱坝平面及剖面图见图1 。 图 1 拱地平面及剖面图 3 ． 4 荷载组合 按正常情况计算正常水位下的水压力+ 泥沙压 力+ 自重+ 温度下降+ 波浪压力； 校核情况计算校核 水位下的水压力+ 泥砂压力+ 自重+ 温升+ 波浪压力。 3 ． 5 拱坝应力计算 ( 1 ) 左右岸基岩及坝体混凝土材料参数见表2 。 河谷底部基岩综合变形模量3 ． 1 G p a ， 泊松比0 ．2 9 ； 坝体 混 凝 土材 料 ( C 2 0 ) 变 形 模 量 ( 考 虑砼 徐 变 ) 2 0 G p a ， 线胀 系数 0 ． 0 0 0 0 1 ／ 。 C容重 2 3 ． 5 k N ／ m ， 导 温系数 3 m 月 ， 泊松 比0 ． 1 7 。 ( 2 ) 计算工况。① 基本组合 ： 正常水位水压+ 泥沙压力+ 波浪压力+ 自 重+ 温降( 简称正常水位+ 温 降) ； ② 特殊组合 ： 校核水位水压+ 泥沙压力+ 波浪 压力+ 自 重+ 温升( 简称校核水位+ 温升) 。 ( 3 ) 拱坝应力计算成果。拱坝最大主应力计算 成果见表3 。 表2 基岩及坝体混凝土材料参数 表3 拱坝不同工况上、 下游面最大主应力 上 游 面 下 游 面 正 常 + 温 降 茬 ； R 6- 1 ．1 9c8R 校 核 + 温 升 鬈 ； F 注： 压应力为正， 拉应力为负。拱冠C R ， 左坝端L F ， 右坝端R T 。 ( 4 ) 应力计算成果分析。坝体砼强度等级采用 C 2 0 。计算结果表明， E 述计算最大压应力2 ． 7 9 5 M P a ， 小于砼容许压应力 压 = 2 0 ／ 4 = 5 ． 0 MP a ( 即砼极限抗压 强度除以安全系数 k = 4 ) ； 最大拉应力为 1 ． 1 9 8 MP a ， 小于砼拱坝设计规范( S L 2 8 2 --2 0 0 3 ) 规定的允许拉 应力 1 ．2 M P a ， 并且小于S L ／ T 1 9 1 --9 6 (< 水工砼结构 设计规范》 所列的C 2 0 砼抗拉强度标准值 1 ． 5 M P a 。 应力条件满足规范要求。 3 ． 6 坝肩稳定计算 3 ． 6 ． 1 坝肩岩土力学指标 根据岩石性状， 室内试验成果及现场超声测试 成果， 参考类似工程相关参数 ， 坝区持力层岩石的 物理力学参数采用如下： ( 1 ) 弱风化砂岩。饱和密度2 ．6 8 g C c m ， 干抗压 一 一 一 广西水利水电 G U A N G X I WA T E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 3 ( 3 ) 强度7 5 M P a ， 湿抗压强度6 0 M P a ， 岩石抗剪断强度： ．， ’ = 0 ． 9 ， C ， _ 0 ． 7 MP a ； 静 弹性模 量 6 ． 5 G P a ； 岩石 与砼 的抗剪 断强度 ： ．， ’ = 0 ． 8 ， c ， _ 0 ．6 M P a ； 允许 承载力 3 M P a ， 岩石与砼抗剪摩擦系数 0 ．6 ， 岩石与砼粘 聚力 C = 0 ． 5 MP a 。 ( 2 ) 弱风化泥岩、 砂泥岩互层。饱和密度2 ． 6 g ／ c m ， 干抗 压强度 2 5 ． 4 8 MP a ， 湿抗压强度 1 6 MP a ， 岩石抗 剪断强度 ： C = o ．7 ， C ， - O ．4 M P a ， 静弹性模量2 ．0 x 1 0 4 M P a ； 岩石与砼的抗剪断强度： ， ’ = 0 ． 6 ， C = 0 ．3 M P a ； 岩石与砼的摩擦系数0 ．5 ， 岩石与砼粘聚力C = 0 ．3 M P a ； 允许承载力 2 MP a 。 3 ． 6 ． 2 坝肩稳定复核计算方法及公式 根据实际地基情况 ， 本次复核坝肩稳定 ， 采用 分层稳定法。按拱坝计算分层考虑 ， 河床6 2 0 ． 1 4 in 高程以上共分7 层， 每层按侧斜滑面、 底平面切取抗 滑稳定岩体 ， 岩体顶面按 自由岩处理 ， 抗滑岩体平 面尺寸切取按岩层走向线、 底层高程相应强风化岩 面等高线形成的三角体量取。分别计算每层岩体 的抗滑稳定 。侧滑面取实际岩层的层 面 ， 岩性有砂 岩、 泥岩、 泥化夹层、 裂隙破碎带等， 分别取其力学 指标进行计算。底部水平滑动面按分层层面切取， 岩性及力学指标按实际坝肩岩层构造取值。采用 抗剪断公式计算各分层的稳定系数， 公式如下： =—f f 2 _ W - U ) +c A 式中 ： K’ 数； 厂 、 c ’——滑动面的抗剪断强度指标； ∑w——作用在滑动面上的总法向力( 含岩体 自重及其上坝体砼在滑动面上产生 的法向力 ) ； ∑卜作用在滑动面上的总切向力( 含岩体 自重及其上坝体砼在滑动面上产生 的切向力 ) ； ￡ ，_ 一 作用在滑动面上的扬压力， 考虑帷幕灌浆 及排水孔的作用， 扬压力折减系数D = 0 ．3 。 3 ． 6 ．3 最危险层稳定计算 根据 以上分层方法计算得左坝肩 6 2 7 ．7 8 5 — 6 3 5 ．4 2 8 i n 高程为最危险层， 其抗滑稳定安全系数仅 为3 ．7 ， 在这一层假设其滑动面滑出点至坝脚距离 为6 O ， 5 O ， 4 0 ， 3 5 ， 3 0 ， 2 5 ， 2 0 ， 1 5 In ， 分别计算其相应 的抗滑稳定安全系数， 寻求最危险滑动面 ， 该滑动 面穿过各岩层， 取其厂 ， _ O ．5 2 、 C， _ 0 ． 3 4 M P a 。计算得 最危险滑动面为滑动面滑出点至坝脚距离2 5 — 3 0 in ， 抗滑稳定安全系数最小， 校核水位+ 温升工况为3 ． 8 ； 正常水位+ 温降工况最小为3 ． 6 。 3 ．6 ．4 坝肩岩体抗滑稳定评价 ( 1 ) 左坝肩。正常荷载坝肩抗滑稳定安全系数 ，分层计算平均值为 l 0 ．4 ， 最小值为3 ．6 ； 整体滑动 计算平均值为 1 4 ．0 ， 最小值为5 ． 8 ； 特殊荷载K值， 分 层计算平均值为7 ． 2 ， 最小值为3 ． 6 ； 整体滑动计算平 均值为6 ． 8 ， 最小值为4 ．7 ； 均大于规范规定值正常荷 载阍= 3 ， 特殊荷载 = 2 ．5 。 ( 2 ) 右坝肩。正常荷载坝肩抗滑稳定安全系数 K ， 分层计算平均值为 1 9 ．8 ， 最小值为7 ．2 ； 整体滑动 计算平均值为3 3 ． 3 ， 最小值为 1 0 ． 3 ； 特殊荷载 值 ， 分层计算平均值为 l 7 ．5 ， 最小值为6 ．5 ； 整体滑动计 算平均值为2 0 ．4 ， 最小值为 8 ．7 ； 均大于规范规定值 正常荷载 = 3 ， 特殊荷载阍 = 2 ．5 。 ( 3 ) 结论 。左 、 右坝肩抗滑稳定安全系数K值均 满足规范要求。这样的结果 ， 主要是两岸山体雄厚 陡峭， 下游山体厚长， 自坝址往下游2 0 0 i n 均无临空 面( 冲沟) 出现。由此得出结论： 克林拱坝坝肩是稳 定 、 安全的。 实际施工中， 须注意做好帷幕灌浆、 固结灌浆、 基础排水等工作， 以利于增强坝肩岩体稳定性。 3 ． 7 传力墩稳定复核 由于坝基开挖揭露坝肩上部地质条件较差， 弱 风化带埋藏较深， 因此左坝肩在6 5 6 ．0 IT I 以上， 右坝 肩在6 4 7 ．0 n l 以上增设传力墩。 3 ． 7 ． 1 墩体基本受力数据 根据应力计算结果整理， 传力墩体受力如图2 所示 左 坝 肩 传 力 墩 稳 定 计 算 简 图 右 坝 肩 传 力 墩 稳 定 计 算 简 圈 图2 传力墩受力图 3 ． 7 ． 2 计算成果 根据传力墩的实际受力状况， 根据上面计算出 来的轴力P 、 剪力 9 ， 分别按两个方向计算墩体稳 定， 选取最不利荷载组合作剪切( 顺河) 方向稳定复 核。经计算， 墩体剪力( 顺河) 方向的抗滑稳定安全 系数K ，左岸传力墩最小为4 ．3 6 ；右岸传力墩最小为1 ．9 6 。 3 ．7 -3 综合分析及结论 ( 1 ) 墩背地基承载力。克林拱坝地质资料表 明， 弱风化泥岩承载力为2 ．5 M P a ， 砂岩承载力为6 M P a o ( 下转第 3 9 页) 3 5 广西水利水电 G U A NG X I WA T E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 3 ( 3 ) De s i g n a n d c o n s t r u c tio n o f l o o s e r o c k fil l d a m b o d y fil l i n g g r o u t i n g f o r Do n g g a n Re s e r v o i r W ANG Z h i — C e i l ( G u a n g x i Wa t e r a n d P o w e r D e s i g n I n s t i t u t e ， N a n n i n g 5 3 0 0 2 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： F i l l i n g g r o u t i n g o f l o o s e r o c k fi l l d a m b o d y a t d o w n s t r e a m s i d e o f ma i n d a m i s t h e mo s t c o mp l i c a t e d of a l l r e i n f o r c e me n t me a s u r e s f o r Do n g g a n Re s e r v o i r ． T h e g r o u t i n g e f f e c t s a l s o p l a y k e y r o l e i n d a m b o d y s t r e s s c alc u l a — t i o n ． An i n t r o d u c t i o n w a s ma d e o n t h e d e s i g n，c o n s t r u c t i o n a n d e x a mi n a t i o n r e s u l t s of l o o s e r o c k fi l l d a m b o d y fi l l - i n g gro u t i ng ． Ke y wo r d s ： Re i n f o r c e me n t d e s i gn ；r o c k fi l l d am ；f i l l i n g g r o u t i n g； Do n g g a n Re s e rvo i r ( 上接第3 5 页) 左岸 6 5 6 m以上 ， 右岸 6 4 7 m以上 ， 岩体多为砂、 泥 岩互层 ， 并有泥化夹层存在 ， 其风化程度界线不甚 明了。部份岩体处于弱、 强风化之间。考虑将地基 变形影响减小到最低程度， 控制地基压力不超过 1 M P a 。上述计算表明， 左岸传力墩， 墩背单位面积受 力最大值为0 ．8 3 M P a ； 右岸传力墩 ， 墩背单位面积 受力最大值为0 ．7 6 MP a ； 均小于 1 MP a 。因此， 传力 墩轴向受力是稳定安全的。 ( 2 ) 墩体剪力( J t~ i 河) 方向的抗滑稳定。计算表 明， 墩体剪力( 顺河) 方向的抗滑稳定安全系数K， 左 岸传力墩最小为4 ．3 6 ； 右岸传力墩最小为 1 ．9 6 。均 大于规范值阍= 1 ．0 5 ， 满足稳定要求。 4结语 克林水电站拱坝坝基的地质条件不是很理想， 为砂岩夹泥岩结构， 左右坝肩弱风化层埋藏较深。 在设计中针对具体情况进行优化设计， 采用穿力墩 等措施使拱坝在应力、 稳定等方面均能满足规范要 求。该项 目于2 0 0 8 年5 月建成安全运行至今。 参考文献 [ 1 】 广西玉林水利电力勘测设计研究院． 广西西林县克林水 电站工程地质勘察报告【 R ] ． 玉林 ： 玉林水利电力勘测设计研 究院， 2 0 0 7 ． f 2 ] 广西玉林水利电力勘测设计研究院． 广西西林县克林水 电站工程初步设计报告【 R 】 ． 玉林 ： 玉林水利电力勘测设计研 究院， 2 0 0 7 ． ( 责任编辑 ： 刘征湛) Co n c r e t e a r c h d a m d e s i g o f Ke l i n’ ’ d r o p o we r S t a tio nco n c r e t e a r c h d a m d e s i g n o g Ke l i n Hy d r o p o we r L I U F a n - x u e ( Wa t e r a n d P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Y u l i n C i t y ， Y u l i n 5 3 7 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Co mb i n e d wi t h t h e t o p o g r a p h i c a l a n d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，a n i n t r o d u c t i o n wa s ma d e o n t h e g e n e r a l a n d k e y p o i n t s o f a r c h d a m d e s i g n o f K e l i n Hy d r o p o w e r S t a t i o n， i n r e s p e c t s o f s t r e s s c alc u l a t i o n a n d d e s i gn o f f o r c e t r a n s mi s s i o n p i e r e t c ． Ke y wo r d s ： Ar c h d a m；f o r c e t r a n s mi s s i o n p i e r ；s t r e s s c alc u l a t i o n；d i s p l a c e me n t ；s t a b i l i t y a n aly s i s ；Ke l i n Hy d r o — p o we r S t mi o n 3 9