水库碾压混凝土双曲变厚变曲率拱坝方案优化分析

水库碾压混凝土双曲变厚变曲率拱坝方案优化分析
贵州某中型综合功能水库，主要工程任务以城市工业供水为主，其大坝推荐采用基于碾压混凝土技术的双曲变厚变曲率拱坝，最大坝高72m，坝顶宽度为6.0m。

结合工程区地形地貌、地质水文、筑坝料场、运输施工条件等因素，对水库大坝的坝型、坝体结构进行了优化布置，并对大坝应力和坝肩稳定性进行了详细分析计算，确保拱坝方案达到技术上可行、经济上合理，推动工程安全可靠、高效优质的施工建设。

标签：水库；变厚变曲率；碾压混凝土；双曲拱坝
1 工程概况
贵州某中型水库的主要任务以城市工业供水为主，兼顾农田灌溉、下游防洪减灾等功能。

水库正常蓄水位为1310.50m，相应库容为1980万立方米，每年向工程区境内的火力发电厂、焦化煤厂、石油化工精炼厂、太阳能晶体硅等工矿企业提供原水2350万立方米（P=97%），其次可以向水库下游9255亩农业耕地提供灌溉用水约320万立方米（P=80%），且对水库下游5个乡10余村防洪减灾提供重要工程设施，并能为下游河道提供生态环境水425万立方米（P=90%）。

该水库的总库容为2130万立方米，处于0.1亿立方米～1亿立方米范围，确定工程规模为中型水库，工程等别为Ⅲ等。

工程的总投资为25298万元，建设工期为30个月。

2 工程区地形地质概况
水库属于典型的山区河道型水库，坝址处河谷为不对称“U”型纵向谷[1]。

坝址左岸上下部地形有较大差异，上部为31～47的坡地，下部则为非常陡峭的陡壁；右岸地形相比左岸坡度较缓，上部坡度为34～47的坡地，下部为57～66的坡地。

坝址区河底宽约9～25m，水深0.3～0.8m，河底高程1260～1261m。

正常蓄水位1310.50m高程河谷宽123.78m，河谷宽高比为2.28。

坝址区域岩体一致性和完整性均较好，岩石强度也较高，比较适宜修建混凝土重力拱坝等刚性坝。

距离坝址区约3.5km处有适宜的筑坝材料开采场（场内岩石以白云岩、白云灰质岩等为主），且目前已有县级公路连接料场与工程区，加上距离工程区约10km 的地方有一个中型火力发电厂可以提供粉煤灰材料。

因此，综合工程区地形地貌、水文地质及料场等因素，推荐采用碾压混凝土重力拱坝作为该水库坝型。

3 双曲变厚变曲率拱坝枢纽布置方案
经坝型、综合成本等因素的对比分析，该水库推荐采用碾压混凝土双曲拱坝，拱冠处坝顶宽6m，坝底厚18m，最大拱端厚20.185m。

拱坝中心线方位角S29.8°W，顶拱中心角79.2°，最大中心角87.62°。

为适应坝址区左右岸地形地貌不对称特性，方案优化过程中左、右半拱按照不同圆心变厚变曲率抛物线进行布置，其中左岸其最大曲率半径为103.595m，右岸其最大曲率半径为91.168m。

拱
坝坝轴线长为213.75m。

大坝坝基主体放在弱风化带岩体中部，两岸坝坡（肩）基础则放在微风化上部。

建基面高程1241.50m，坝顶高程1313.50m，最大坝高72m，拱冠处大坝厚高比0.26。

表孔设置在大坝中部，采用3孔尺寸为6.0m（宽）×4.5m（高）的弧形工作闸门进行洪水拦蓄，并设置6m宽钢筋混凝土梁交通桥连接大坝左右岸。

在双曲拱坝左、右岸分别设置3.0m（宽）×3.5m（高）的帷幕灌浆平洞，为大坝左、右岸防渗帷幕灌浆提供施工作业平台，其中灌浆平洞左岸长832m、右岸长1015m。

4 变厚变曲率双曲拱坝结构优化
工程施工建设完成后，整个大坝不作为主要交通枢纽，因此在坝顶宽度确定时只需满足施工期混凝土碾压填筑运输需求即可，综合考虑混凝土运输设备、闸门起吊设备、大坝运行监测设备的运行和安装要求，最终确定坝顶宽度为6.0m。

双曲变厚变曲率混凝土拱坝，其大坝主体材料采用90天龄期的三级配C15W6F50碾压混凝土，其中大坝迎水面其防渗层则采用90天龄期二级配C20变态混凝土和90天龄期二级配C20W6F50碾压混凝土。

迎水面变态混凝土厚度为0.5m，二级配防渗混凝土在1266.50m高程以上其厚度为2.0m，而在1266.50m 高程以下其厚度为3.0m。

大坝基础采用2.0m厚的90天龄期二级配C20W6F50常态混凝土垫层。

大坝下游坝面则采用厚度为0.5m的90天龄期三级配C15W6F50变态混凝土。

在大坝坝体共设置4条诱导缝，其桩号分别为坝0+022.165、坝0+066.165、坝0+122.765和坝0+193.265，将坝体共分为5个部分，各坝段长度由22～71.5m不等，在诱导缝上游面侧设置两道铜片止水设施。

根据大坝帷幕灌浆及施工期和运营期坝基及坝身自身排水的需求，在坝内1261.50m高程处设置一道2.5m（宽）×3.5m（高）的灌浆排水廊道。

5 变厚变曲率双曲拱坝应力及坝肩稳定性分析
5.1 变厚变曲率双曲拱坝应力分析
拱坝应力按照多拱梁法进行分析，其荷载组合包括基本组合和特殊组合[2]。

其中，基本荷载组合为：工况1：正常蓄水位1310.50m及相应尾水位（无）+大坝自重+正常温降低；工况2：洪水位1310.18m与相应尾水位1261.13m+大坝自重+正常温升；工况3：死水位
1289.00m与相应尾水位（无）+大坝自重+正常温升。

特殊荷载组合为；工况4：校核洪水位1312.60m与相应尾水位1262.50m+坝体自重+正常温升。

经拱坝应力程序计算，结果表明：该双曲变厚变曲率拱坝在三种荷载基本组合下，其上下游面拉应力最大为0.83MPa（位于EL1256.50高程右端部），最大压应力为2.76MPa（位于EL1276.50高程右端部）；荷载特殊组合下上下游面最大拉应力为0.78MPa，最大压应力为2.76MPa。

最大位移为1.522cm，发生在工况1条件正常+温降工况下的1314.50m高程。

最大位移发生位置及位移值均与变厚变曲率双曲拱坝位移分布规律匹配，计算结果可靠。

5.2 变厚变曲率双曲拱坝坝肩稳定性分析
大坝两坝肩其岩体一致性和整体性均较好，但由于其主要结构面存在裂隙、层面，属层状结构或镶嵌碎裂结构，为确保大坝坝肩具有较高安全性和可靠性，采用《拱坝体形优化程序ADASO》电算程序对大坝坝肩稳定性进行分析，计算结果如表1所示。

由表1可以知，大坝左、右岸在正常和特殊工况组合条件下，左、右岸坝肩稳定安全系数均大于3.0，满足规范技术指标要求。

6 结束语
在该中型III等水库大坝优化布置过程中，根据工程区的地质、水文等特性，推荐采用变厚变曲率双曲拱坝方案。

经拱坝结构应力和稳定性分析，结果表明所优选的双曲拱坝方案，具有较高的安全性和坝肩稳定性，能够满足技术规范指标要求。

参考文献
[1]叶小萍，王朝进.水利水电枢纽工程双曲拱坝优化设计[J].中国水运（下半月），2014（12）：61-63.
[2]李润伟，陈立秋.江口水电站椭圆型双曲拱坝设计特点[J].水利与建筑工程学报，2011（6）：33-38.
作者简介：黄先优（1988-），男，贵州锦屏，侗族，本科，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。