水利工程論文-平和花溪拱壩設(shè)計前期分析及施工調(diào)整.doc

水利工程論文-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?！娟P(guān)鍵詞】拱壩；分析；設(shè)計；調(diào)整一、前言（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，工程屬等小（一）型，建筑物級別為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5280。巖性為晚侏羅世次花崗斑巖，河邊巖石弱風(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)外專家觀點與工程實踐，認為狹窄梯形河谷（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，有觀點主張采用二心圓拱，由于本壩河谷不對稱程度并不嚴重，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），只進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。采用回填改造又顯不經(jīng)濟。且兩岸不對稱程度不嚴重，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。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)整中更易達到要求，取得良好的力學(xué)效果和經(jīng)濟效果。（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。花溪拱壩根據(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，坐標系及參數(shù)如圖1所示。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)較成熟的觀點認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厚的砼墊座進行調(diào)整改良，即起拱高程為124.0m，底拱中心角亦取較大值為