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某水电站浆砌石拱坝设计

1、概述

某水电站位于xx省某县xx镇，座落在水支流芭蕉河上，是芭蕉河流域开发的第二级,坝址距某县城2.0km,坝址集水面积337.4km2，多年平均径流量4.55亿m3。大坝采用浆砌石二心双曲拱坝，最大坝高66.0m，水库总库容2428×104m3。大坝为3级建筑，相应的设计洪水重现期为50年，校核洪水重现期为500年。

2、浆砌石拱坝设计

2.1坝址地形、地质条件

坝址位于芭蕉河下游河段腰潭峡狭谷中部，河谷两岸山体雄厚，呈不对称的“V”型，左岸岸坡约60°,在550m高程以上为高约180m的陡崖，右岸岸坡40~50°。河床宽约30m，正常蓄水位543.5m高程河谷宽度约105m，河谷宽高比1.9：1，具有修建拱坝的地形条件。

坝址出露三迭系下统大冶组第2段（T1d3-2）灰色薄层微晶灰岩夹青灰色极薄层页岩。岩层走向与河流方向近于正交，倾向下游，倾角55°。坝址岩体岩性均一，薄层灰岩与极薄层页岩的互层结构，构成了水库及坝基（肩）的相对不透水岩组。

坝址地质构造裂隙为主，沿裂隙面及层面岩溶轻度发育，局部较发育，但易于处理。坝址岩体强度较高，强性模量6～8GPa,具备修建拱坝的地质条件。

2.2拱坝体型设计

某浆砌石拱坝设计在初步设计的基础上进行优化，优化的原则及思路为：

a.连续性要求：坝体上、下游坝面是连续、光滑的曲面；

b.施工要求：坝体结构尽量简单，坝体悬臂梁最大倒悬度不大于0.3∶1；

c.强度要求：控制施工质量、尽量提高砌体的抗压强度和抗拉强度，但坝体计算应力不超过规范控制值

d.稳定要求：拱座抗滑稳定安全系数不小于现定值；

e.经济性要求：在满足上述要求的基础上尽量减小坝体体积（即工程量最小）。

根据上述原则并结合坝址具体地形、地质条件，拱坝在布置和体型选择上主要着重考虑河谷不对称，左岸岸坡较陡而右岸稍缓；同时，左岸岩体受裂隙影响较右岸严重，选择和确定拱坝体型时，针对左、右岸坝肩地形和地质条件的差异，

对各高程拱圈左、右两半拱的曲率半径和中心角进行调整、试算和选择，确定拱坝在平面布置上采用二心圆拱，使左、右半拱的曲率半径和中心角均适应坝址的地形、地质条件，以使坝体应力和拱座稳定均有利。

2.2.1拱坝体型设计

1）坝顶厚度TC

坝顶厚度按经验公式（2-1）[1]和美国垦务局经验公式[3]（2-2）和初步选择

Tc=0.4+0.01(L+3H)(2-1)

0.01（H+2.4L）0.01（H+2.4L）＞Tmin

Tc=

Tmin0.01（H+2.4L）＜＞Tmin

按上两式分别计算得坝顶厚度Tc=3.66m（2-1）和Tc=3.73m（2-2），但坝顶最小厚度按交通要求定为Tmin=4.0m，即按式（2-2）取Tc=4.0m。

2）坝底厚度TB

坝底厚度按任德林公式[2]（2-3）和式（2-4）[3]分别计算。TB/H=0.132×（L/H）0.267+2H/1000(2-3)

TB=0.7×LH[σ](2-4)L=(LB+LC)/2

按(2-3)和（2-4）计算分别得出TB=19.1m和TB=16.9m，初步设计阶段拟定的TB=17.5m。技施设计时以初步设计拟定的TB=17.5m作为拱坝优化设计的计算初始值，通过调整拱圈平面布置（曲率半径和中心角）、坝体倒悬度等参数，并进行应力分析和稳定计算，采用逐次逼近和试算的方法对拱坝体型进行优化，最终确定本工程浆砌石拱坝坝底厚度TB=15.5m，坝体厚高比TB/H=0.235。

3）拱圈平面布置

有关资料表明[3]、[4]，拱坝顶部拱圈趋向于采用较小的中心角，且一般在80°~100°之间，坝体应力情况较好，同时可满足拱端推力指向两岸山体，对拱座稳定有利；底拱中心角受坝体倒悬度及布置的限制，常采用40°~80°的中心角。某水电站浆砌石拱坝为适应两岸不对称的河谷地形，拱圈采用二心园弧的平面布置形式，如图1。

图1.拱坝平面布置图

经过逐次逼近和试算的优化方法，对各高程拱圈的曲率半径和中心角分左、右两个半拱进行调整，在坝体应力和拱座稳定满足规范[3]要求的前提下，确定顶拱中心角为86°,其中左半拱37.5°,右半拱48.5°,底拱中心角54°,左、右半拱均为27°;顶拱外半径左、右半拱分别为RUL=99.35m和RUR=99.47m，底拱外半径RUB=44.13m。经计算，在约1/3坝高部位即505.5m高程附近，正常蓄水的运行条件下，拱圈产生最大拉应力和压