平和花溪拱壩設(shè)計前期分析及施工調(diào)整

1、平和花溪拱壩設(shè)計前期分析及施工調(diào)整          【摘   要】文章通過花溪拱壩設(shè)計實例，體現(xiàn)設(shè)計前期的預(yù)見分析和判斷，對設(shè)計中各參數(shù)初值選取時能較準(zhǔn)確地切入，從而縮短設(shè)計周期的重要意義。在最后確定設(shè)計成果時，綜合考慮施工期間一些主客觀不確定因素的影響，預(yù)留少許可調(diào)整的余地是必要的。      【關(guān)鍵詞】拱壩；分析；設(shè)計；調(diào)整           一、前

2、言（一工程概況花溪拱壩是平和花溪水電站水庫攔河壩，位于九龍江流域花山溪支流中游?？刂屏饔蛎娣e201km2，水庫總庫容358.36萬m3，工程屬等?。ㄒ唬┬停ㄖ锛墑e為4級。拱壩設(shè)計最大壩高44.1m。大壩按30年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核。拱壩泄洪采用壩頂自由溢流方式。壩頂高程166.1m，堰頂高程159.5m，設(shè)計洪水位164.14m，校核洪水位165.36m。（二）工程地質(zhì)      壩址段河流較平直，壩址河谷地形呈“V”字型谷，河床水面寬26.0m，岸坡不平順，坡度52°80°。巖性為晚侏羅世次花崗斑巖，河邊

3、巖石弱風(fēng)化，向坡高處風(fēng)化巖石漸厚，有順河向與垂河向壓性小斷層通過，寬0.31.0m。右岸裂隙發(fā)育但閉合，左岸規(guī)模較大的裂隙垂直河向和平行河向延伸，并有緩傾角裂隙。工程地質(zhì)評價為“右岸工程地質(zhì)條件好、河中段較好、左岸一般”。拱壩可置基于弱風(fēng)化巖層。二、設(shè)計前期分析（一）拱圈線型的選擇      壩址河谷地形深切呈“V”字型谷，較狹窄。弦高比為2.17，屬較規(guī)則窄谷，這種地形建壩，拱作用占優(yōu)勢，選用圓拱較合適。本拱壩屬中低壩，從設(shè)計、施工便捷和結(jié)構(gòu)簡單角度考慮，應(yīng)首先考慮選用圓形拱壩。（二）圓拱形態(tài)的選擇   

4、0;  據(jù)設(shè)計開挖線，拱壩建基面河谷開挖后略呈梯形。兩岸稍不對稱。參照國內(nèi)外專家觀點(diǎn)與工程實踐，認(rèn)為狹窄梯形河谷（弦高比小于3），單心圓拱壩最好，有實例分析顯示應(yīng)力情況比三心拱好許多。對于不對稱河谷問題，有觀點(diǎn)主張采用二心圓拱，由于本壩河谷不對稱程度并不嚴(yán)重，考慮設(shè)計及施工簡便，宜采用單心等厚圓拱。（三）平面布置的選擇壩址段河流較平直，壩址處河谷平面呈小喇叭口型，左岸向下收縮較大，右岸收縮較小，左右岸稍不對稱，壩基開挖立面略顯梯形。在平面布置時可考慮三種處理方式：1.可用砼回填澆筑“改造”地形，使河谷大體對稱；2.將河谷挖成對稱或大體對稱的壩基；3.不做任何河谷整形（回填或開挖），只

5、進(jìn)行一般情況下的壩基開挖，將拱壩壩身設(shè)計成自然不對稱。由于壩址處屬窄谷，低部兩岸巖石裸露，呈弱風(fēng)化。采用大量開挖整形方式欠妥。采用回填改造又顯經(jīng)濟(jì)。且兩岸不對稱程度不嚴(yán)重，因此，本拱壩在平面布置時宜采用第三種方式，讓拱圈呈自然不對稱。布置時應(yīng)“兼顧左右岸”保證滿足規(guī)范“30°要求”。讓大壩圓心線與河道中心線不完全平行，如此，各拱圈內(nèi)弧面與各高程可利用巖體等高線間均可獲得較大夾角，具有穩(wěn)定的壩肩工作條件。（四）拱中心角的選擇處于喇叭口型的拱壩，建壩后如“自緊式”的塞子，在荷載作用下，愈壓愈緊，且開挖量不大，拱中心角可以選大一些。另一方面，建基立面為梯形河谷，頂、底拱宜選用較大的中心角。

6、中心角大應(yīng)力條件好，拱端較拱冠更易發(fā)生拉應(yīng)力，在壩體設(shè)計調(diào)整中更易達(dá)到要求，取得良好的力學(xué)效果和經(jīng)濟(jì)效果。（五）拱冠梁形態(tài)的選擇      雙曲拱壩從拱冠剖面上看大體分三種形態(tài)：前傾雙曲拱壩、后傾雙曲拱壩和自然雙曲拱壩。拱壩前傾雖可利用重心前移減少上游壩踵的拉應(yīng)力或增加壓縮趨勢，但相應(yīng)會在壩下游面低部或壩趾出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，且上游面下部倒懸度較大，施工不便。拱壩后傾雖對抗震特別有利，但上游面下部及壩踵會出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，且下游面倒懸度較大，施工不便?；ㄏ皦胃鶕?jù)河谷形狀、地質(zhì)情況及壩高等因素，宜采用介于上述兩者之間的自然型雙曲拱壩，即拱冠梁前傾或后

7、倒不明顯的一般雙曲拱壩，這種拱壩較適合梯形河谷，在倒懸度、拱圈半徑和應(yīng)力三者之間調(diào)整時，較好控制，且容易達(dá)到要求。（六）拱冠梁參數(shù)選擇      拱冠梁特征值除已擬定的壩頂厚Tc，壩底厚Tb外，還包括上游面最大外挺值X。及最大外挺高度2H，下游面最凹值X0及最凹點(diǎn)高度3H，壩基外挺值1Tb及各層拱圈厚度等（如圖1所示）。這些特征值關(guān)系到大壩的工程量，拱冠梁底的拉應(yīng)力及兩岸懸臂梁倒懸度的大小等有關(guān)設(shè)計質(zhì)量的問題。      拱冠梁斷面上、下游面可采用以下三次曲線方程表示，坐標(biāo)系及參數(shù)如圖1所示。&

8、#160;      XC。+C1（Y/H）+C2（Y/H）2+C3（Y/H）3上游面曲線具有以下邊界條件：當(dāng)Y0，X-1Tb；      Y2H，XX。及XY0;      YH，X0。下游面同樣具有以下邊界條件：當(dāng)Y0，X（1-1）Tb；      Y3H，XX0及XY0;      YH，XTc。拱冠梁厚度TX下一X上   

9、;    從上述邊界條件可見，需聯(lián)立方程組求解，除Tc，Tb已知外，還應(yīng)確定1Tb、X。、2H、X0、3H。      壩基外挺值1Tb，國內(nèi)較成熟的觀點(diǎn)認(rèn)為對于自然型雙曲拱壩10.30.6，即壩軸線大體交于基礎(chǔ)寬度的上、下三分點(diǎn)以內(nèi)。從花溪拱壩的河谷形狀及寬度情況看，拱冠梁底拉應(yīng)力值較易滿足，主要應(yīng)控制拱冠梁上游下部的倒懸度，以免引起兩岸懸臂梁上游倒懸度過大，影響施工。因此，1在初值選取時擬取大值，即拱冠梁略顯后傾。      上游面最大外挺高度2H和下游面最凹點(diǎn)

10、高度3H，根據(jù)通常經(jīng)驗20.20.4、30.50.8，在壩頂和壩底厚度已定的前提下，此兩高度值對壩體工程量大小起著主要影響作用，高度上升，拱冠梁中部顯厚，高度下降，拱冠梁中部顯薄。根據(jù)本壩自身情況，兩高度系數(shù)2、3宜取小值，既能滿足應(yīng)力和穩(wěn)定要求，又能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。     上游面最大外挺值X。和下游面最凹值X0,均關(guān)系到壩體的厚薄程度，尤其X。的大小直接影響著拱冠梁上游面下部和兩岸懸臂梁上游倒懸度大小。對本拱壩，在滿足應(yīng)力和穩(wěn)定要求前提下，宜取小值。（七）倒懸度控制       平面布置

11、初定后，對左右兩岸的邊梁剖面倒懸控制，規(guī)范規(guī)定“一般不宜超過1:0.3”。據(jù)本人經(jīng)驗體會，執(zhí)行此條，不應(yīng)教條，適當(dāng)要有靈活性，如有需要局部也可較1:0.3稍高些，并通過工程措施予以解決。靈活掌握這一點(diǎn)在拱壩設(shè)計調(diào)整中尤為實用。三、拱壩設(shè)計計算（一）應(yīng)力計算      根據(jù)以上設(shè)計前期預(yù)見分析：本壩壩型選用雙曲單心等厚園拱，頂拱半徑按0.6倍開挖后拱端弦長即58m確定；頂拱中心角取較大值為111.5°；本壩設(shè)計最低開挖高程為122.0m，河床狹窄，為使底拱有較大的中心角，以獲得較好的力學(xué)效果，設(shè)計采用2.0m厚的砼墊座進(jìn)行調(diào)整改良，即起

12、拱高程為124.0m，底拱中心角亦取較大值為50°。依據(jù)漿砌石壩設(shè)計規(guī)范規(guī)定的荷載組合，利用北京勘測設(shè)計研究院“反力參數(shù)法”程序進(jìn)行應(yīng)力分析比選。由于前期論證分析較充分，參數(shù)選擇準(zhǔn)確，本拱壩在設(shè)計調(diào)整中，沒費(fèi)太大周折，即獲得較滿意的設(shè)計方案。（二）結(jié)果分析      拱冠梁剖面分析：壩基外挺值1Tb4.0m，10.5。上游面最大外挺高度2H7.73m，20.184，下游面最凹點(diǎn)高度3H21.05m，30.5。上游面最大外挺值X。4.38m，下游面最凹值X01.3m。拱冠梁上游面下部倒懸度為0.07。從結(jié)果看，初選剖面前所作的分析預(yù)見是

13、準(zhǔn)確客觀的。20.184，30.5均屬下限，兩個高度降低使拱冠梁顯扁薄。30.5取大值，X。取小值，使拱冠梁略顯后傾，降低了拱冠梁上游面下部的倒懸度，既滿足了壩體應(yīng)力要求，又很好地控制住了兩岸懸臂梁上游下部倒懸度，均小于1:0.3。      拱壩的優(yōu)化評價分析：本拱壩的厚高比為0.19，小于0.2，屬薄拱壩（規(guī)范界定），此指標(biāo)宏觀評估較簡單易行，但要綜合評價拱壩設(shè)計優(yōu)劣，存在一定局限性?；ㄏ皦螢榫徑夤肮诹荷嫌蔚撞坷瓚?yīng)力，改善底部倒懸度，0.2H以下適當(dāng)加厚，0.2H以上則削得較薄，況且底部為窄谷，適當(dāng)加厚，增加方量不多。因此應(yīng)使用柔度系數(shù)法

14、評價較客觀。本壩體方量為12100m3，柔度系數(shù)CA2/VH15.5,對照相關(guān)柔度系數(shù)統(tǒng)計表，本壩已屬較優(yōu)化范疇。      拱壩應(yīng)力成果分析：從拱壩應(yīng)力成果看，壩體拱端最大拉應(yīng)力-9.77kg/cm2，拱冠梁底最大拉應(yīng)力-8.73kg/cm2，最大壓應(yīng)力24.75kg/cm2，整個壩體應(yīng)力分布較均勻，大部分處于受壓，局部受拉?；ㄏ皦纹鲋牧喜捎?50#砼砌毛石，從規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力控制指標(biāo)來看，壩體似乎還有挖潛余地。但本人認(rèn)為，壩體應(yīng)力分析中的許多參數(shù)如壩體和基巖彈模、泊桑比、容重等是靠局部試驗或經(jīng)驗類比取定，應(yīng)力分析的邊界條件也含有一些假定，

15、因此計算應(yīng)力和實際應(yīng)力存在一定偏差。另一方面，從圖紙到實物，還有很多客觀和主觀的不確定因素，可能需要進(jìn)行二次調(diào)整。本人以前設(shè)計的幾座拱壩均存在這種情況。因此，從推薦設(shè)計方案的角度而言，應(yīng)適當(dāng)留有可調(diào)整的余地。      綜上分析，筆者認(rèn)為上述成果作為推薦的設(shè)計方案是合理可行的。四、施工調(diào)整（一）調(diào)整的原因      花溪拱壩開挖后，果然如筆者分析，由于地質(zhì)情況發(fā)生變化和一些人為因素，迫使原拱壩布置方案需作適當(dāng)調(diào)整。      1.地質(zhì)因素:壩基開

16、挖后，河中建基面抬高約2.0m；兩岸壩肩處巖石風(fēng)化，建基面低，需作重力墩；左岸三組大裂隙的組合，導(dǎo)致左岸壩后中上部巖體穩(wěn)定性較差，抗沖刷能力弱。    2.人為因素:圍堰施工時，因施工技術(shù)問題，共進(jìn)行了兩次截流，人為加大了圍堰寬度，且閉氣不徹底，因此施工隊又在壩前澆了一道砼擋墻，此砼墻進(jìn)占入壩體上游輪廓線內(nèi)，致使河床壩體上游面無“立足之地”。（二）調(diào)整措施       拱壩調(diào)整方案綜合考慮了各種實際變化，因地制宜，在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，作了適當(dāng)調(diào)整。方案得當(dāng)省時省力。對于河床壩體上游面無“立足之地”的問題

17、，如要完全避開砼擋墻，移動較大，兩岸壩肩的開挖增加較多，且受左岸下游破碎基巖的限制沒有較大的移動空間結(jié)合河床開挖后建基面比預(yù)計抬高約2.0m，確定壩軸線沿圓心線作小幅度的平移，起拱高程提高到126.0m，以下仍為2.0m厚的砼墊座，并覆蓋住砼擋土墻。拱冠梁剖面取原剖面的126.0m以上段，拱圈半徑不變，中心角根據(jù)兩岸壩頭邊墩及開挖實地自然增減。      根據(jù)以上確定的調(diào)整原則，重新進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果顯示拱端最大拉應(yīng)力-8.55 kg/cm2，拱冠梁底最大拉應(yīng)力-10.46 kg/cm2，最大壓實力25.71 kg/cm2。與原設(shè)計方案比，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均有所增加，最大拉應(yīng)力接近規(guī)范控制值，滿足要求。本壩已投入運(yùn)行兩年多，情況良好。如此結(jié)果應(yīng)歸功于原設(shè)計方案選擇正確，并留有可調(diào)整余地。五、結(jié)語      通過花溪拱壩設(shè)計分析實例，結(jié)合筆者以往設(shè)計體會，認(rèn)為：       （一）在拱壩設(shè)計前期，應(yīng)對壩址所處的河谷平面和立面形狀、地質(zhì)條件、所要選擇的拱型、拱冠梁形態(tài)及拱壩各種參數(shù)進(jìn)行全面的、有預(yù)見性的分析論證和判斷，選取初值才能準(zhǔn)確切入，從而縮短設(shè)計周期，取得事半功倍的成效。（二）在設(shè)計拱壩時，不能盲目地追