泥岩地区建设拱坝的先例——广西百色市克林水电站混凝土双曲拱坝设计.pdf
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1、设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 1年第 6期 泥岩地区建设拱坝的先例 广西百色市克林水电站混凝土双曲拱坝设计 欧震李景 才 ( f - 西玉林水利 电力勘测设计研究院 广西玉林 3 0 0 4 5 6 ) 【 摘要】 在宽河谷上建造成较薄 的混凝 土双 曲拱 坝 , 按 一般常规 , 河谷宽 高 比 L H 一 3 5 4 3 , 宜建造厚 高 比 H 0 3 5的重力 拱坝 , 而通过精心设计 , 局部设置体积较小 的传力墩结构 , 成功地在砂岩夹泥岩 、 泥岩夹砂 岩及 砂泥岩互层 , 构造 裂缝 较发育 , 层理间存 在有较 多 的泥化 夹层 , 这样 复杂 的地 质条件 下 ,
2、 建成 了厚 高 比 T H 仅为 o 2 7 7的较薄拱 坝。与重 力拱 坝相 比节省工程投资约 6 0 0万元 , 节省 2 O ; 与重力坝 相 比节省 工程投资约 1 0 0 0万 元 , 节省 3 8 。取得 了显著的工程效益 。填补 了广西 区内泥岩建造拱坝 的空 白, 在 国内也属少见 。 【 关键 词】 宽河谷砂岩夹泥岩泥岩夹砂岩砂 泥岩互层薄混凝土双 曲拱坝 【 中图分 类号】T V6 4 2 4 【 文献标识码】c【 文章编号】1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 6 9 0 8 【 D 0I 编码】 1 0 3 9 6 9 j i s s
3、 n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 l 1 0 6 0 2 0 1 前言 克林水 电站 双 曲拱 坝 最 大 坝 高 H 一 5 9 0 1 m, 坝底 厚 度 T 一 1 6 3 5 m, 开 挖 后 河 谷 宽 度 L 一 2 0 8 6 m,河谷呈梯型 ,宽高比L H: 3 5 4 ,坝体厚 高比 H一 0 2 7 7 ,设计最大拉应力 1 1 9 8 MP a ,最 大压应力 2 7 9 5 MP a 。非对称结构布置。顶拱坝轴半 径 R= = =9 6 4 9 7 m,中心角 一 1 1 9 2 8 0 。 ,其中左中 心角 6 3 2 8 0 1 。 ,右 中心角 5 6
4、 。 。 在宽河谷上建造成较薄的混凝土双曲拱坝 ,按 一 般常规 ,河谷宽高比L H=3 5 4 3 ,宜建造厚 高比 T H 0 3 5的重力拱坝 ,而通过精心设计 , 局部设置体积较小的传力墩结构 ,成功地在砂岩夹 泥岩 、泥 岩 夹 砂 岩 及 砂 泥 岩 互 层 ,构 造 裂 缝 较 发 育 ,层理间存在有较多的泥化夹层 ,这样复杂的地 质条件下 ,建成 了厚高 比 T H仅为 0 2 7 7的较薄 拱坝 。与重力拱坝相 比节省工程投资约 6 0 0万元 , 节省 2 0 ;与重力坝相比节省工程投资约 1 0 0 0万 元 ,节省 3 8 。取得了显著的工程效益 。填 补 了 广西区内
5、泥岩建造拱坝的空白,在国内也属少见 。 由于本项 目地质情况较复杂,业主先后请 了浙 江大学 、湖南省水 电设计院 、广东省水电设计 院、 昆明水电设计院、吉林省水 电设计院、广西电力设 计院、广西水利厅等有关专家到现场进行技术考察 咨询指导 ,设计过程中得到 中科院拱坝设计研究专 家朱伯芳的弟子杨波教授的指导。 大坝工程于 2 0 0 4年 9 月破土动工 ,于 2 0 0 6年 6月 2 2日开 始 下 闸 蓄水 发 电 ,至 今 已正 常 运 行 5 年多 时 间 。 2 基本概况 克林水电站坝址位于革命老区广西百色市西林 县那 劳 乡 那 劳 村 那 伏 屯 ,坝 址 以 上 集 雨
6、面 积 6 5 4 k m ,距西林县城 5 8 k m,座落在珠江水系右江 支流 的克林 河 ,距克林 河 口 2 0 5 k m。克林 水 电站 是 以发电为主的引水式水 电站 ,由双曲拱坝、引水隧 洞和厂房三大建筑物组成 。电站装机总容量 3 7 2 1 MW;在 6 4 0 m 高 程 左 岸 通 过 3 5 1 0 m 长、洞 径 2 8 m 的引水隧洞和 5 9 5 m压力钢管,将水引至那维 驮娘江边与那维 电站扩建合二为一的克林厂房发电。 流域属 亚热 带温 湿气候 区 ,气候 温和 湿润 ,雨 量充沛 。多年平均降雨量 1 0 7 0 7 mm,最大年降雨 量 1 3 3 7
7、5 mm,最小年 降雨量 7 6 6 2 mm;多 年平 均气温 1 9 1 ,极端最高气温 3 9 3 C,极端最低 气温 一3 1 ;全 年 以北风 为主 ,风 向西、西南 , 年平 均风 速 3 m s ,多 年平 均最大 风速 1 4 m s 。 克林水电站拦河坝为混凝土双曲拱坝,坝顶轴 线长 2 7 7 3 9 m,其中位于中段的溢流坝段长 4 0 m,最 大坝高 5 9 0 1 m。水库设计水库正常蓄水位 6 6 6 0 0 m, 设计洪水位 6 7 0 0 2 I T I ,校核洪水位 6 7 0 6 9 m,死水位 作者简介 :欧震( 1 9 6 o年一) ,高级工程师,院长。
8、 6 9 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 1 年第 6 期 6 4 7 0 0 m;水 库 总库 容 1 3 6 5万 m。 ,调 节 库 容 7 7 4 万 m。 ,死库容 3 1 9万 m。 ,为不完全年调节水库 ; 大坝最大下泄流量 8 3 1 m。 s ,单宽流量 2 O 8 1 T I 。 s 。 多年平均发 电量 8 5 0 3万 k W ? ?h 。送电 电压等级 为 1 1 0 k V,供电至广西区电网。 克林水 电站枢纽工程等级属 等 ,大坝按 3级 永久建筑物 ,按 5 0年一遇洪水设计 ,5 0 0年一遇 洪水校核 ;隧洞 、厂房、变电站 、厂区防洪堤按 4 级建
9、筑物 ,3 0年一遇设计 ,1 0 0年一遇校核 。 工程总投资为 1 4 4 3 8 2 9万元 。单位千瓦投 资 6 8 7 5 元 k w ,单位 千瓦时投资 1 6 9 8元 k W h 。 其中大坝部分投资 2 9 9 7 1 4万元 ,单位千瓦大坝部 分投资 1 4 2 7元 k W,单 位千 瓦 时大 坝 部分 投 资 0 3 5 2元 k w? ? h 。 大 坝 主 要 工 程 量 :挖 土 4 1 1 3 8 m。 ,挖 石 4 6 1 4 6 m。 ,填 土 1 2 5 6 m。 ,浆 砌 石 4 2 2 2 m。 ,混 凝 土 6 4 7 1 9 m。 。 3混凝土双
10、曲拱坝技术设计 3 1 坝 基及 坝肩 地质 条件 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,左岸 6 7 0 m高 程 以上 为 一背 斜 ;右岸 6 5 0 m 高程 处 为一 背 斜 , 6 8 0 m高程处为一 向斜。左岸舒 缓,右岸较 紧密。 坝 区没有断层发育 ,但岩石节理发育 ,尤其是风化 节理 ,岩体较破碎。 坝区断层不发育 ,仅在右岸平硐 P D。 中,发现 的顺层 F 断层( L ) ,破 碎带 和泥化 宽 2 3 m, 倾角 8 2 。 ,可局部挖除处理 。 节理裂隙。节理主要有 4组 :5 5 。 S E、NW 3 5 。 8 0
11、。 ; 3 5 。 NW 7 0 。 ; 8 5 。 NW 3 5 4 0 。 ;3 2 5 。 NE、S W5 3 5 。 。其 中最发育 的是 第组 ,它与多属厚层砂岩层内近垂直或斜交岩 层的陡倾裂隙。和组多属层间 ( 缓倾角)裂隙 构造 。河流流向 S E为 1 1 5 。 ,坝区内主要 的 、 组裂隙 ,走向基本垂直河流流向,倾 向上游 ,倾角 7 0 。 ,对坝基抗滑无不 良影响。 层间剪切带。由于坝区地层为砂岩夹泥 ,岩层 挤压强烈 ,褶皱发育 ,为适应岩体的总体变形 ,多 沿岩层中的软层发生层问剪切作用以补偿不同构造 部位的岩层的加长与缩短 ,增厚与减薄。现场实地 观察和在大比例
12、尺施工地质素描时,发现泥岩部位 遭受不同程度的剪切错动 ,厚度一般 0 5 5 c m不 等。在强弱风化岩体 内,大部 已泥化 ,其抗剪强 度 f=0 2 0 2 5,CO 0 0 1 MP a 。在微 新 70 鲜岩 体 内性状 稍好 ,其抗 剪 强度 f一0 2 5 0 3 , C 一 0 01 O 03 M Pa。 两岸岩体为弱风化砂岩夹泥岩 ,岩体较破碎 , 泥 岩 强度 低 ,且顺 层 泥 化 夹 层 发 育 ,变 形模 量 低 , 泥化夹层抗剪强度很低 ,两岸拱坝主应力方向与岩 层 面 大 角 度 相 交 ,两 岸 均 为 顺 向 坡 ,岩 层 倾 角 较 陡,顺层发育的与其它节理
13、组合,对坝肩抗滑稳定 不利。但由于两岸山体雄厚 ,坝线以下 2 0 0 m 范围 左 、右岸均无临空冲沟构造,有利于坝肩稳定 ,这 是本工程设计拱坝的关键有利条件。 鉴于节理裂隙较 发育 ,存 在有 软化 、泥化夹 层 ,因此 ,进行基础帷幕及 固结灌浆 ,以增强岩体 整体性及减少沿裂隙渗漏的可能。 3 2 拱 坝布 置及 拱坝 结构设 计 3 2 1 基岩 及坝 体混 凝 土材料 参数 表 1 基岩及 坝体 混凝土材料参数 6 6 6 6 6 O 6 47 6 2 7 0 61 9 5 高程( m) 6 6 0 6 4 7 6 27 6 1 9 5 61 2 5 左岸 综合变形模量( GP
14、a ) 2 8 3 1 3 1 3 1 3 1 容重( k N m ) 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 基岩 泊松 比 O Z 9 0 2 9 O 2 9 O 2 9 O 2 9 右岸 综合变形模量( G P a ) 2 0 3 1 3 1 3 1 3 1 容重容重( k N m0 ) 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 基岩 泊松 比 0 3 O 2 9 0 2 9 0 2 9 O 2 9 综合变形模量( G P a )J 3 1 河谷底部基岩 泊松比 0 2 9 坝体 变形模量( 考虑混凝 土徐变) ( GP a ) 2 O 混凝土 容 重( k N m。 ) 2 3 5 泊松
15、比 0 1 7 材料 线胀 系数 ( 1 c) 0 0 0 0 0 1 ( C 2 O ) 导 温系数 ( m。 Y ) 3 3 2 2 拱坝各个高程拱圈的几何参数 表 2 拱坝几何参数表 河谷宽 ( B ) 轴半径 拱厚 半 中心角 ( F A, 。 ) 拱冠梁 各层高程 左 岸 右岸 ( R ) ( T) 左岸 右岸 上游面( Y) ( Z H) 8 6 1 9 8 O 9 6 5 0 4 6 3 5 6 O 6 6 6 0 7 4 1 g 6 8 7 2 8 5 6 9 5 9 4 6 0 5 3 3 6 7 6 5 8 3 6 6 2 6 8 5 8 7 5 5 9 7 8 3 5 6
16、 O 5 5 0 1 5 6 3 5 6 5 0 7 1 5 O 1 8 4 8 78 6 6 1 9 9 6 5 4 9 3 3 4 7 5 1 8 0 4 6 4 3 0 7 3 8 7 6 3 8 5 7 5 1 1 4 2 4 2 4 1 4 1 3 9 8 7 4 6 3 5 4 3 28 7 3 0 4 9 5 1 1 3 1 2 3 5 4 5 3 7 3 2 8 4 4 6 2 7 7 9 20 7 2 2 7g 4 2 2 3 1 4 7 7 2 9 3 7 3 2 6 9 7 1 5 6 2 0 1 4 1 0 3 1 3 71 3 5 6 6 1 6 3 5 1 6 8
17、2 2 6 3 4 8 7 6 1 2 5 O 3 2 3坝 体 分 缝 设 计 ( 1 ) 横缝 。为防止坝体开裂 , 需设置横缝 。横缝 距离为 2 0 m左右 , 采用宽缝结 构, 缝宽取 0 8 m, 近 上游面设置多边形混凝土塞。待坝体完全冷却后再 用密实的混凝土填满宽缝 。 ( 2 ) 水平缝 。由于施工需要 , 坝体必须 分层浇 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 1年第 6期 筑 , 每层高度约为 1 2 m, 水平缝接合面需进行净缝 工作。可用压力水喷射 , 冲净混凝土表面, 并保持一 定 的表 面湿 度 , 随 即 浇筑 上 层 的混 凝 土 。如 果 已十 分干硬 ,
18、 用压力水无法 冲掉表面浮浆 , 则需进行 凿 毛 , 然后再冲洗 。 ( 3 ) 纵缝 。因坝体较薄, 不设纵缝。 3 2 4 拱坝应力应 变等 内力计算 拱坝应力分析采用 中国水利水电科学 院( 朱伯 芳) 多拱梁法应力计算软件 , 计算成果如下 : ( 1 ) 拱坝径 向位移。 表 3 拱坝在不 同工况下 各层 高程最大径向位移I c m) 高程( m) 正常+温降位移 校核+温升位 移 6 6 6 0 1 7 6 5 1 1 2 3 6 5 8 4 1 6 9 9 1 2 6 7 6 5 O 7 1 6 0 6 1 34 9 6 4 3 1 1 _ 4 7 8 1 35 4 6 3 5
19、 4 1 3 1 8 1 2 85 6 2 7 8 1 1 3 1 1 1 4 5 6 2 0 1 O 9 1 7 0 9 4 2 61 2 5 0 6 8 0 0 6 8 7 注 : 位移向下游方 向为正 。 ( 2 ) 拱 坝最 大 主应力 。 表 4 拱 坝不 同工况上下游面最大主应力 上 游 面 下 游 面 应力值 一 0 2 7 5 1 9 0 4 1 1 9 8 1 7 1 1 正 常+温 降 ( MP a ) 位 置( 高程) 6 3 5 4 RT 6 4 3 1 CR 6 2 0 1 CR 6 3 5 4 R T 应力值 0 8 5 8 2 5 3 9 0 6 3 4 2 7
20、9 5 校核+温升 ( MP a ) 位 置( 高程 ) 6 3 5 4 RT 6 6 6 0 L F 6 2 0 1 RT 6 5 8 4 RT 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。 ( 3 ) 拱坝拱端轴 向推力、 剪力、 竖 向力及拱端合 力角 。拱端轴 向推力和剪力正负号规定 : 拱端岩体 所受的轴 向力指向拱端岩体内为正, 指向拱端岩体 外为负; 所受的剪力指向下游侧为正 , 指向上游侧为 负 ; 所 受 的竖 向力 铅直 向下 为正 , 铅直 向上 为负 。 表 5 拱端处单位高度范围内轴向力 ( 单位 : l o o t m) 正
21、常 +温降工况 校核+温升工 况 高程( m) 左拱端 右拱端 左拱端 右拱端 6 6 6 0 O 2 5 5 0 5 0 2 8 5 1 4 6 6 0 8 6 5 8 4 3 1 7 9 3 7 1 5 9 5 4 1 1 0 3 0 5 6 5 O 7 6 0 3 2 6 1 5 1 1 0 O9 9 1 0 21 7 6 4 3 1 9 3 3 8 7 6 1 3 1 1 9 6 3 1 0 2 4 4 6 3 5 4 9 7 2 6 9 7 9 4 1 1 36 7 11 8 3 5 6 2 7 8 8 4 l 3 8 0 2 4 9 5 4 2 9 3 9 2 6 2 0 1 6
22、8 5 5 6 7 7 6 7 5 2 3 7 6 4 3 拱端合力角是指拱端轴力和剪力和的合力与 X 轴( 横河向) 的夹角, 合力角愈小 , 合力方向愈指向山 里 , 稳定性能愈好 , 中心角仅反映了拱端轴向推力 的 方向, 而合力角还增加 了拱端径 向剪力的影 响 表 6不同高程拱端处单位高度范围内剪力( 单位 : l O O t m) 正常+温降工况 校核+温升工况 高程 ( m) 左拱端 右拱端 左拱 端 右拱端 6 6 6 0 一 O O 6 6 一 O O 9 9 一 O 1 6 1 一 O 1 7 3 6 5 8 4 0 1 5 8 0 0 5 5 0 5 66 0 5 2 3
23、 6 5 0 7 1 3 0 2 1 4 8 8 0 0 2l 0 3 5 7 6 4 3 1 3 9 3 3 2 9 2 0 2 6 8 2 2 O 3 7 6 3 5 4 6 9 3 5 7 4 8 3 6 1 1 3 6 8 6 2 6 2 7 8 8 9 3 2 7 7 0 3 8 5 41 7 4 1 4 6 2 O 1 9 1 6 6 7 9 9 8 8 9 5 7 7 8 3 7 表 7 不同高程拱端处单位高度范围内竖向力I 单位 : l O 0 0 t m) 正常+温降工况 校核+温升工况 高程( m) 左拱端 右拱端 左拱端 右拱端 6 6 6 O 0 0 0 0 0 0 0
24、 0 0 O 0 O 0 0 0 0 6 5 8 4 0 0 8 5 0 0 8 3 O 0 5 3 O O 61 6 5 0 7 0 2 5 7 0 2 7 2 0 2 O 6 0 2 2 8 6 4 3 1 0 47 6 0 5 2 5 0 4 1 6 0 4 6 3 6 3 5 4 O 7 6 4 O 75 9 O 7 1 0 0 7 l 8 6 2 7 8 1 0 7 2 1 1 1 9 1 0 4 7 1 1 0 4 6 2 0 1 1 3 8 2 1 3 5 5 1 3 8 2 1 3 6 7 6 1 2 5 1 4 3 3 1 4 2 6 1 4 6 0 1 4 5 4 表 8
25、拱端合 力角 ( 。 ) 正常+温降工况 校核+温升工况 高程( m) 左拱端 右拱端 左拱端 右拱 端 6 6 6 0 4 8 7 5 0 4 4 89 0 6 2 1 9 7 5 4 5 0 1 6 5 8 4 6 2 8 5 3 53 8 4 5 5 6 6 0 4 5 O O9 2 6 5 0 7 6 8 2 3 1 6 3 7 4 4 5 6 1 7 0 5 2 1 5 0 6 4 3 1 7 2 1 6 8 6 8 49 8 61 9 6 5 5 8 7 5 6 6 3 5 4 7 7 9 0 0 7 8 7 7 0 7 0 6 8 0 7 l _ 4 9 7 6 2 7 8 8
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