高寒强震弱基上的石门子碾压混凝土拱坝设计Word下载.docx
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水库总库容为0.54亿m3,总投资近2亿元,电站装机容量2×
3.2MW。
大坝坝型为碾压混凝土拱坝,最大坝高109m。
工程建好后可扩大灌溉面积17万亩,灌溉总面积47万亩。
坝址地区冬季寒冷,月平均气温在零度以下长达5个月。
多年平均气温4.1C,极端最高气温33.2C,极端最低气温-31.5C,多年平均降水量 430mm,多年平均蒸发量1410.8mm。
坝址处于强震多发地区,根据新疆防御自然灾害研究所提供的“玛纳斯县塔西河石门子水库地震安全性评价初步意见”建议:
塔西河石门子水库地震基本烈度为Ⅷ度。
拱坝设防裂度大于Ⅷ度,采用了减震结构。
两岸及河床岩体为青灰色及红色砾岩。
红色砾岩浸水软化后变形模量为4GMPa,个别样品浸水后散塌,所以拱坝采用柔性结构以适应其变形。
层状砾岩向下游倾斜约30度,并倾向左岸。
成层砾岩有夹泥层J2~J6。
右坝肩有陡倾角的断层F6,左坝肩F5沿上下游方向延伸,并和斜夹泥层组成左右岸不稳定体,故坝肩进行防渗和抗滑处理。
石门子水库正常蓄水位为1390.85m,正常运用洪水标准为50年一遇,相应洪峰流量
为202m3/s,校核洪水位1391.55m。
坝顶高程1394.0m,建基面高程1285.0m,坝顶最大弧线长为176.5m。
溢洪道及泄水孔布置在拱坝中部,位于主河道上,以便泄洪时水流顺畅。
坝体混凝土总方量21.1万m3,其中碾压混凝土18.8万m3,约占混凝土总量的89%。
大坝混凝土在1999年6月初开始浇筑大坝基础垫层混凝土及固结灌浆,11月5日浇筑到1308m,11月至2000年4月停止浇筑混凝土,已浇筑的混凝土在水下或土沙石料覆
7
盖下养护。
2000年4月继续浇筑,到2000年10月底大坝浇筑至1359m(右坝段)及1365m
(左坝段),2000年l0月18日水库己下闸蓄水,2001年春灌蓄水1345m,坝体在2001
年8月上升到坝顶。
二、 枢纽布置
本枢纽工程的主要建筑物由碾压混凝土拱坝、副坝、导流兼引水发电隧洞、发电站厂
图1 枢纽平面布置图
房及碾压混凝土拱坝坝顶溢洪道、坝身放水孔等建筑物组成,见图1。
主坝的设计不仅要考虑节省工程量、碾压混凝土大仓面快速施工的要求,而且要考虑较软弱砾岩及两岸缺陷岩体条件、减震、高寒地区抗冻和特殊温度荷载等因素。
坝址为U型河谷,主坝采用碾压混凝土拱坝。
拱坝高109m,拱坝坝顶高程1394.0m。
设计的主坝是多园心,沿高程变化半径及中心角,为碾压施工方便上下游面无反坡,上游面上部以1:
0.16的坡度略向后倾。
考虑基岩比较软弱,为改善坝体拱端应力,各水平拱拱端下游加厚1m至6m,坝顶宽5m,最大底宽30m,厚高比为0.284。
拱座下游嵌入微风化岩基。
拱坝平面构造及溢流剖面见图2。
副坝工程座落在左岸古河床上游坡面上,为缩短坡脚和抗震加强坡脚,坡脚作反拱挡墙,沿坡面作粘土斜墙坝,心墙上游为堆石坝壳,上游坝面边坡1:
2.15,在斜墙上游铺设过渡料及浆砌石护坡,布置码头台阶及坡道。
主坝坝顶布置溢洪道,三孔,每孔宽5m,高3m,设计单宽流量11m3/s。
三孔靠近中部,这样泄水可落入河槽中部,护坦中冲刷最大可能水深17~19m,实际护坦水深达29m,不冲刷河床,但拱坝正中有一条施工缝,因此三孔溢洪道偏在中央施工缝的左侧。
图2 拱坝平面构造及溢流剖面图
R砼
R3砼
3
R1变态砼
1340廊道
R1砼
2
R1变态砼
1
1289廊道
护坦
R2砼
图3坝体混凝土分区示意图
导流洞布置在左岸,线路全长311m。
导流标准为全年进行导流,以十年一遇洪水设防,洪峰流量为95.1m3/s。
洞内尺寸为宽4.0m,高4.5m,呈顶拱较平的城门洞型。
导流洞
过水面积为16.8m2,最大流速5.5m/s。
后期将导流洞改建发电洞,考虑发电洞为压力隧洞,进水口底板1350.0m,断面设计成直径3m的圆形断面,隧洞净断面为7m2,洞中平均流速2.12m/s。
主坝的防渗排水措施十分重要,左右岸山体稳定要求尽量降低两岸山头中的地下水位,保持尽可能多的山体处于较干燥的状态,经过坝头坝基三维渗流分析,决定左右坝肩各设三层灌浆、排水廊道,三层廊道的高程分别为:
坝顶1394,坝半腰1340,坝底1289。
底层廊道高水位时可以抽排,上二层为自流排水。
顺河向设交通排水混凝土廊道,兼作抗剪混凝土洞,右岸沿J2作抗剪混凝土塞。
主坝中心线的右侧布置泄水孔,孔底坎高
程为1333.0,孔口尺寸为22m。
泄水孔进口安设一扇平面检修门。
泄水孔出口孔口尺寸为高1.6m,宽2.0m,设置一扇钢弧形门,用螺杆式启闭机操作闸门启闭。
三、坝体混凝土
根据坝体仿真应力计算分析成果,结合考虑
坝体的孔口及各部位的结构特点,大坝混凝土分为四区(坝体分区见图3):
1、Ⅲ级配碾压混凝土R1:
R90200D100S6,位于拱坝内部大部分区域的混凝土,限制
525#水泥用量为60kg/m3混凝土。
粉煤灰掺量65%。
2、Ⅱ级配碾压混凝土:
R90250D300S8,位于拱坝下游坝面1315m以上1.5~1.0m厚,坝顶1.5m厚和上游坝面1315m以上2.0~1.5m厚,下游护坦厚2m,抗冻防渗混凝土,限制525#水泥用量为90kg/m3混凝土。
相应上下游表面0.5~1.0m都用变态混凝土。
3、Ⅱ级配碾压混凝土:
R90200D100S10,位于拱坝上游坝面1315以下,厚2.0m,防渗混凝土,限制525#水泥用量为90kg/m3混凝土。
位于坝基部位垫层2m厚,拱坝坝肩周边约0.5m厚,拱坝上游边缝部位7m长4m厚。
4.常态混凝土
(1)Ⅱ级配:
R28200D100,灌浆排水廊道周边1m厚。
(2)Ⅱ级配:
R90250D300,溢流坝面1.5m厚,闸墙部位,泄水孔周围1.5m厚,泄水孔进出口底板和边墙等部位。
5、防渗层
由于坝体较薄,为安全,上游坝面涂1.5mmXYPEX防渗层。
四、 坝体构造缝和施工中缝
为了既能发挥碾压混凝土大仓面连续浇筑的优越性,又便于削减坝内的温度应力,在坝体1288高程以上施工期设置一条横缝(简称中缝)。
在近上游中缝内设置混凝土铰井,以利于施工期提前蓄水时拱向传力,铰井边缘及中缝内保留灌浆系统以实现拱坝后期灌浆。
拱坝两坝肩上游侧各设置一条人工短缝(构造缝),以削减拱端水压和温度拉应力,缝由径向转向坝肩低应力区,缝上游区设止水,在缝端部位埋设16#槽钢止裂。
在拱坝下游侧距中轴线25m拱圈处,高程1315m以上沿拱径向设深1.5m的人工短缝,以削减拱坝中部下游面由水荷及温降形成的拱向拉力。
在坝顶部位(1380m~1394m)保留构造横缝,以降低运行期拱坝上部温度应力,并利用蓄水加弯矩以改善拱坝中部下游侧的梁向拉力。
五、 适应高寒强震弱基的拱坝新技术研究和仿真设计
(1)碾压混凝土拱坝新结构的研究
大仓面碾压混凝土施工期减少温升,加大内外温差的约束,运行期温降带来整体拱坝温度初应力,采用在拱坝上游坝肩拉力区设置人工应力释放缝,在拱冠下游拉力区设置人工径向短缝以释放水压及温度应力,并在缝端组合应力断裂区设置止裂结构以防止裂缝延伸。
实测表明上游短缝张开1.0mm,缝端止裂槽钢后拉应变仍然小于40μ。
在拱坝表层前期冷却区设置膨胀混凝土塞,利用膨胀混凝土塞良好的拱向传力作用,“铰结拱”提供前期拱坝的整体性,也利于拱坝后期降温自由变形,大大改善后期下游面温降应力。
研究表明:
在水压作用下拱坝中缝上游部分断面混凝土塞和全断面混凝土在上下游坝面引起的应力接近,仅混凝土塞局部压力略加大,亦不难控制在双轴压力场强度范围内。
在拱冠留中缝做铰结结构,能保持在蓄水时良好的拱向传力,可保证拱坝温度末完全下降前即利用铰结拱结构提前蓄水,边蓄水边降温而不引起下游面较大的拉力,待拱坝长时间降温后进行中缝灌浆。
考虑大量坝址为可软化砾岩,为防止拱坝在水压作用下坝体的大变位,上下游拱座及拱冠应力恶化,为此研究:
1)除扩大拱座减压,减少变位外,研究表明在软岩双轴压力徐变下变位大量减少,用人工增加侧约束减小变形;
2)对裂缝削弱坝肩,局部研究设计利用提高拱座局部弹模将作用力导向深层,使高压区处于三轴压作用下;
3)、研究饱和岩体徐变及强度折减作为判据;
4)研究加大拱坝变位能力而不恶化应力的“柔性拱”。
仿真计算及实测表明柔性拱拱冠变位较大但坝肩人工短缝后及拱冠径向缝后拉力不大。
混凝土在前期强度较低,特别是蓄水后水压和温降叠加后易在下游面造成开裂,为了防止高寒地区施工期冬季温降过大,采用在坝面喷涂聚氨酯保温材料,实测结果表明:
混凝土表面温度由-15℃上升为7℃,保温效果良好,减少稳定变场温度变幅,减少高寒地区拱坝温度应力。
由于施工条件的变化,为保证设计意图的实现和验证工程计算,利用自行研制供碾压混凝土专用的经济微型高强坝体测温器进行混凝土温度监控,及时调整工程措施,也提供内部混凝土降温状况,确定回填铰接拱和灌浆时间。
用光纤进行全坝面连续温度分布测定和测点验证。
(2)碾压混凝土新材料仿真特性研究
新疆高寒地区修建石门子碾压混凝土拱坝工程,冬季施工代价过高,夏季温度过高后期温降过大,为此在材料上研究高强低热微膨胀混凝土,一方面尽可能使混凝土的绝热温升降到最低,实验绝热温升13~14℃,另一方面在夏季高温季节通过混凝土拌和楼临时储料罐风冷骨料等降低浇注混凝土温度。
研究混凝土的湿热传导,同时利用天然河水对高温浇注的混凝土进行终凝后泡流动水冷却,尽量压低混凝土的最高温升值。
研究了在水泥生产中外掺MgO来减少碾压混凝土收缩的问题,改进前期混凝土自身体积变形测定方法,研究不同温度条件下不同配比MgO碾压混凝土自身体积变形规律,据此进行仿真设计,减少高寒地区冬季降温值过大引起的裂缝。
在上述研究工作的基础上按施工过程累计温度及自重多轴徐变应力,考虑混凝土自身体积变形、含层间弱面的碾压混凝土结构及人工短缝及中缝铰接结构,进一步修正了碾压混凝土拱坝作为成层结构的三维仿真应力程序。
(3)非稳定渗流及山体稳定研究
泥钙质胶结砾岩软,垂直层面抗渗性能好,实测透水率q≤1Lu,但顺层面较差,冬季蓄水春灌,夏季低水位防洪,汛末调洪秋灌,断层裂隙处理后山体内形成非稳定渗流,岩体渗压较大,主要影响深度<
15m,减轻灌浆帷幕及排水帷幕后的山体稳定。
(4)拱坝地震响应近似计算和人工缝减震措施研究
按规范应对拱坝地震荷载进行拟静力法汁算或动力法计算,但它和实际工程中不对称山体、弱基、柔性拱条件相差较远。
对于处在强震区的碾压混凝土拱坝地震响应,研究可透射波的人工边界(有限基础)模拟考虑不对称山体中拱坝动力响应,使荷载更接近实际分布;
并研究了人工缝削减地震的作用,以及随机震源对拱坝动应力影响,研究表明人工缝具有明显隔震减震效果,能大幅度降低拱向应力。
参考文献
[1]刘光廷,麦家煊,张国新。
溪柄碾压混凝土薄拱坝的研究[J].水力发电学报,
1997,2:
69-75.
[2]刘光廷,李鹏辉,胡昱,张富德。
塔西河碾压混凝土拱坝结构及施工期蓄水措施,
RCC‘99碾压混凝土筑坝技术国际会议论文集,1999,4:
90-99.
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- 高寒 强震 弱基上 石门 碾压 混凝土 拱坝 设计