雙曲薄拱壩的水墊塘設計

雙曲薄拱壩的水墊塘設計

1采用高效沖淤式力壩壩底結構形式雙曲薄拱水庫通過水庫底部的孔口排水，水流直接流入水庫下游的河谷。這是一種常見的經(jīng)濟配置形式，但導致漏水對下游兩岸和底部巖石的磨損。在拱壩壩不高或者泄洪量不大時,一般只是對壩下游靠近壩趾部位的基巖表面設置抗沖混凝土板,以保護下游壩基免于可能發(fā)生的基巖沖刷。我國早期修建的拱壩,如流溪河、歐陽海、石門等大多采用這種形式。自從20世紀60年代在非洲贊比西河上修建的高128m的卡里巴拱壩在建成幾年后壩下游就發(fā)生嚴重的沖刷后(沖坑深度達50余米,坑的上游坡抵達壩趾基巖保護板,距下游壩面不足40m),這一問題才在設計高拱壩大樞紐時引起足夠的重視。在二灘拱壩建設以前,我國修建的超過百米的拱壩中,多采用壩后廠房岸坡瀉槽式泄洪方式將水流拋送到遠離壩身的下游河床,如龍羊峽、東江、李家峽等。二灘拱壩壩高240m,通過壩體表孔、中孔的校核泄洪量16300m3/s,如果任其下泄到下游河床,模型試驗及經(jīng)驗公式計算的沖坑深度達到了25m,將影響壩肩抗力巖體的穩(wěn)定。為此在壩的下游修建了長330m的全混凝土襯護的水墊塘及高32m的混凝土二道壩。自1998年大壩開始下閘蓄水以來,經(jīng)過多次過水考驗,水墊塘運行情況良好?，F(xiàn)在我國新設計的超過200m的拱壩中,如小灣、錦屏、拉西瓦、構皮灘等,都采用了這一形式,并為此更深入地進行了大量的試驗研究工作。由于二灘拱壩水墊塘的成功運行,一些泄洪流量較大的高百米以上的拱壩也相繼采用了這一壩后消能形式。2卡里巴和卡鋼拱壩的水位問題全混凝土襯砌水墊塘的設計,雖然能比較有效地解決拱壩下游的沖刷問題,但其造價較高,一般約占壩體造價的10%左右,而且還要設置常年的檢修、排水、抽水設施。有的拱壩甚至對兩岸岸坡也從下到上層層錨固甚至全部用混凝土護坡,以防泄洪暴雨對岸坡的沖刷造成墜石落入水墊塘。這不僅初期投資較大,而且后期維護費用也比較大。因此,在國外類似工程采用全襯砌水墊塘的并不很多。水墊塘的造價高,主要在于塘周及底板、二道壩、兩岸邊坡的混凝土襯砌。因此深入研究是否需要設置水墊塘及水墊塘的經(jīng)濟、合理的形式頗有必要。我國現(xiàn)行的拱壩規(guī)范對于壩后的消能設施提出,在壩后消能區(qū)基巖堅硬完整,沖刷不影響兩岸山體穩(wěn)定,并有撿修條件時,可考慮簡化防護措施甚至可以先沖后護。但是在我國現(xiàn)設計的壩高超過150m的采用壩身孔口大流量泄洪的雙曲拱壩中,幾乎沒有不設混凝土襯護水墊塘的,而且采用的混凝土襯砌底板也較厚。在二灘拱壩設計時,由于它是我國建造的第一個特高拱壩大流量泄洪工程,沒有經(jīng)驗,采用比較謹慎的指標是可以理解的。但是也有必要在二灘成功經(jīng)驗的基礎上更進一步。對于壩后的消能設施,除了先沖后護外,還有預挖沖刷坑,修建二道壩抬高下游水位,并不一定要設置造價昂貴的混凝土襯砌水墊塘。從國外一些不設水墊塘的實例看,即使像高128m的卡里巴拱壩,從20世紀60年代至今,雖然下游沖刷坑深逾50m,也提出過采用混凝土消力戽方案,但未見具體實施?？赡芤驗闆_刷坑已基本穩(wěn)定,并未對兩岸及壩基穩(wěn)定造成危險。高173m的卡拉卡亞重力拱壩,設計泄洪量17000m3/s,運行后對水舌入水區(qū)左岸角閃片頁巖破碎帶的岸坡,造成較嚴重的沖刷。后來進行了防護,因為只是對被沖刷處進行,所以其防護工程比修建全混凝土襯護的水墊塘要省得多。高171m的卡博拉巴薩雙曲拱壩,主要用壩體深孔泄流,深孔的設計泄洪量13200m3/s。建成后即遭遇13100m3/s特大洪水,下游沖刷坑深度達30m,泄水只是向下深切河床,并未對兩岸造成掏刷。我國高149.5m、設計泄洪量為10618m3/s的白山重力拱壩,采用壩身表孔挑流和中孔射流對撞消能,沒有設混凝土襯護水墊塘或預挖沖刷坑,經(jīng)過兩次大洪水考驗后,因為基巖堅硬,沖刷坑很小,也沒有對兩岸造成沖刷,只是由于沖刷坑很淺,水流濺射,對電站運行造成一些損害,現(xiàn)已結合左岸地下電站工程,新挖沖刷坑消能。對于高壩大泄流量工程,只要地質(zhì)條件許可,措施適當,并不一定要設混凝土襯砌水墊塘。消能防沖的水墊塘為壩體附屬建筑物,只要不危及壩體安全,是可以允許在超標洪水下破壞的,以后再進行修補。如壩體為一級建筑物,消能防沖建筑物當屬三級建筑物,也就是百年洪水的設計標準。但是現(xiàn)在我國的所有的高拱壩設計中,多采用壩體校核洪水標準,有的還不考慮電站對洪水的分流量,這就顯得過于謹慎了。雖然我國現(xiàn)在所設計的拱壩,壩高及泄洪量大都超過世界上其它國家所建的工程,但這并不能說就一定要采用全混凝土襯護的水墊塘。比較卡里巴拱壩及卡博拉巴薩拱壩,前者壩高只有128m,6個孔口總泄洪量8400m3/s,后者壩高171m,8個孔口總泄洪量約13100m3/s,兩者基巖巖性相近(片麻巖),但是沖刷坑的深度卡里巴拱壩卻要深得多?？ɡ锇凸皦螢榭卓谧匀坏?水流向心,落水點單寬很大,壩高低也使水流難以充分滲氣,對基巖的沖刷力難以削減。但是卡博拉巴薩拱壩,各孔均采用向上挑射形式,水流在空中能夠充分對撞、分散、滲氣,這就大大地減小了水流對基巖的沖刷力,所以泄洪量及壩高雖然比卡里巴拱壩大,沖刷坑反而要小許多。因為壩高越大,水流在空中停留時間長,空氣對分散的水流阻力作用也就越大,利用水流在空中對撞、分散,滲氣的條件反而更好,入水能量及沖刷力可以不與壩高成正比,例如高空墜雨并不比屋檐滴水的沖擊力大。我國現(xiàn)在設計的拱壩壩身孔口泄流,在泄流孔口上作了許多開創(chuàng)性的工作。從白山拱壩開始,采用高、中孔散流對撞,大大減少了水流對河床的沖刷力。拉西瓦拱壩,不僅采用高、深孔對撞消能,而且各類孔口采用多種出口挑射形式,才能在比其它拱壩水墊塘遠為高的消能率(拉西瓦為21kW/m3,而二灘等為15kW/m3以下)的情況下,使試驗所得的校核洪水沖擊動水壓力ΔP僅為7×9.8kPa,遠小于我國一些工程的ΔP<15×9.8kPa指標。所以拉西瓦拱壩水墊塘現(xiàn)在底板的設計厚度,已減薄為2.5～3.0m。在如此低的沖擊動水壓力情況下,采用無底不襯砌的水墊塘也是有可能的。如果比較一些采用底板襯砌的工程,可以看出它們的水墊深度與按經(jīng)驗公式算出的水墊深度已比較接近。3種新的水墊塘底材料自由沖刷坑水墊深度tk采用拱壩規(guī)范所列經(jīng)驗公式,tk=1.1×q0.5H0.25,單寬流量q按各工程溢流堰上水頭計算?，F(xiàn)將國內(nèi)外拱壩工程跌流水墊塘參數(shù)統(tǒng)計結果列于表1。拱壩一般都選擇在巖石良好的堅硬地帶,現(xiàn)在水墊塘底的開挖高程大多與壩基高程相近,當屬堅硬巖石。加之在孔口設計上都要充分考慮泄流分散措施,因此取經(jīng)驗公式中的水流分散系數(shù)為1.1。經(jīng)驗公式是經(jīng)過多數(shù)工程統(tǒng)計結果得出的,有一定的代表性,如果沒有特殊的地質(zhì)情況(斷層、局部節(jié)理裂隙密集帶、軟弱帶),是應該有一定的準確度的。沖刷坑處基巖如果存在軟弱帶,沖刷坑四周及基底會有巨大的凹凸不平,使得水流沖撞凸出巖體。被沖擊的巖塊,又在水流作用下沖撞周邊圍巖,從而形式巨大的沖刷坑?？ɡ锇凸皦尉褪菍儆谶@種情況。表1數(shù)據(jù)顯示現(xiàn)在水墊塘的水墊厚度,基本與自由沖刷坑水墊厚度相近。也就是說,現(xiàn)各拱壩所用的水墊厚度,如果不襯混凝土底板,其自由沖刷坑的深度不會大于水墊塘底板開挖深度太多。由于水墊塘的造價主要由混凝土襯砌底板構成,因此應研究不襯砌底板的可行性。先沖后護對大泄洪量的高壩,有一定的風險,而且在電站運行后再組織施工隊伍入場,費用也高,不如采用預挖沖刷坑較為穩(wěn)妥。如果采用預挖沖刷坑,坑的開挖形狀宜與自然沖坑形狀相近,呈鍋底形或短匙形,并用光面爆破,以保證基巖面不會有大的起伏差;對局部軟弱帶加以混凝土置換或?qū)鶐r進行系統(tǒng)錨固;用二道壩抬高下游水位,使其能達到基本上不沖基巖的水墊厚度;保護好水墊塘周的水流波動區(qū)的兩岸邊坡。如能最大限度滿足充分消能又達到基本不沖基巖的目的,水墊塘底不襯砌混凝土是有可能的(見圖1)。無混凝土襯砌底板的水墊塘,不僅省去了大量的混凝土,而且還可以不設抽、排水設施,也不必擔心兩岸岸坡局部巖塊塌入水墊塘砸壞及磨損混凝土底板?；鶐r的抗磨能力遠高于高強混凝土,因此不必將塌入的巖塊清除,這就大大節(jié)省了水墊塘以上的兩岸岸坡防護以及后期的維護費用。如果還想節(jié)省,可以將二道壩改為過水堆石壩,利用預挖沖刷坑所開挖的石渣,在下游堆筑堆石壩達到抬高下游水位增加水墊厚度的目的。從許多自由沖刷坑消能的工程看出,在沖刷坑的下游都會有從沖刷坑中沖出的石塊堆積所形成的二道過水堆石壩。其上游壩坡約為1∶(6～8),下游壩坡約為1∶10左右。如果用人工壓實堆筑,可以選擇大石塊鋪切在該堆石壩的上、下游表面甚至鋪砌過水混凝土板,壩坡還可陡一些?，F(xiàn)在水墊塘內(nèi)開挖的石渣都作廢物處理,由于不能就近堆放在電站下游的河床兩岸,需要遠運堆放,成本較高。如果就近堆在二道壩處筑成堆石壩,變廢為用,就可省去混凝土的二道壩。由于堆石壩壩坡很緩,壩基會延伸很寬,有可能與地下電站尾水出口有矛盾,這就需要在總布置圖上協(xié)調(diào),并作經(jīng)濟比較。即使在實際沖刷坑有所加深的情況,只要作好水墊塘內(nèi)水位波動區(qū)的兩岸岸坡防護,限制沖刷坑向兩岸擴展,使之不危及兩岸壩后基巖抗力體即可。白山拱壩就在預計沖刷坑的邊坡位置設計了兩排錨筋樁,樁前還設計了一排預裂爆破面,但因基巖太硬,實際沖刷坑很淺,功用沒有顯示出。4局部不襯砌混凝土底板的滲壓對一些沖刷坑部位基巖較差必須用混凝土襯砌底板的情況,也還是有節(jié)約空間的?，F(xiàn)在多數(shù)工程所設計的混凝土底板,整個水墊塘都是一個厚度,但是實際上底板各處所受的動水沖擊力和上舉力是不一樣的,只有在水舌沖擊點往下,才是動水沖擊力和上舉力的最大部位。在水舌沖擊點以上部位,動水沖擊壓力和上舉力都很小(見圖2),因此,這一部位的底板是可以減薄甚至部分取消的。某水墊塘長度由樁號55～240m,表、深孔泄洪量6000m3/s,水舌入水點在90～160m范圍內(nèi)。底板所承受的動水沖擊最大壓強和上舉力都發(fā)生在水舌入水點以后,而入水點以前的動水沖擊壓強很小。從水工模型試驗上也可看到,水舌入水點以上的水面波動很小。因此在水舌入水點以上減薄甚至取消底板都是可能的。在水墊塘的前部局部取消襯砌混凝土底板,更可以最有效地降低底板所承受的滲壓,這對檢修工況特別重要?，F(xiàn)有的工程考慮水墊塘底板所受的滲壓,都是連同整個壩的縱斷面來考慮。即使在水墊塘前部設置排水廊道,其所受的滲壓也相當于0.125H,如果壩高超過200m,滲壓可達到25m水頭,再加下游水位差,空塘時底板所受的滲壓水頭至少也在40m以上,超過動水沖擊壓力和上舉力,造成底板厚度及錨筋量加大。如果水墊塘的靠壩趾部位局部不襯砌,滲透水將從此處自由滲出,在水墊塘檢修時,此處的滲壓為零,則水墊塘底板所受的滲壓最多只是底板與下游水位差(見圖3)。壩趾部位局部不襯砌底板,在檢修時水墊塘內(nèi)底板的滲壓以靠近二道壩最大,與泄洪時的最大動水沖擊壓力及上舉力位置相近。如果動水沖擊壓力或上舉力ΔP=15×9.81kPa,相當于15m水頭的壓力,此值與