双曲拱坝在水库大坝中的应用研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇双曲拱坝在水库大坝中的应用研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘 要】 某Ⅲ等中型水库工程，其采用碾压混凝土技术的变厚双曲抛物线拱坝，最大坝高为108m，坝基地质条件相对较复杂。首先对水库双曲拱坝的坝体布置和体形设计进行了探讨，并结合ADASO电算程序对双曲拱坝的应力进行了详细分析研究。
【关键词】 水库 碾压混凝土 双曲拱坝 应用
1 工程概况
某Ⅲ等中型水库工程，其坝址以上集雨面积为101.3km2，项目建设的主要工程任务为：工业供水，农业灌溉及人畜饮水，并兼顾发电。水库正常蓄水位为1320.00m，正常蓄水位以下库容为1650万m3；校核洪水位1323m，总库容1838万m3；死水位1283m，死库容238万m3，兴利库容1486万m3。大坝初步采用碾压混凝土双曲拱坝设计方案，设计最大坝高为108m，坝顶高程为1324m，坝顶中心弧长为259.68m。
2 水库双曲拱坝的优化设计
2.1 坝体布置
大坝为抛物线变厚双曲拱坝，拱坝中心线方位角为N40.00°E，坝顶高程1434.0m，坝底高程1329.0m，最大坝高109.0m（含4m垫座）。拱冠梁处顶厚6.0m，底厚24.0m，坝顶中心弧长267.327m，顶拱中心角85.500°。最大中心角86.685°（1390.0m高程），最小中心角41.224°（1329.0m高程）。大坝坝身设5条诱导缝，桩号分别为0+053.874、0+088.634、0+128.991、0+175.74、0+219.885，将坝体分为6个坝段，坝段长度40～53m不等。诱导缝上游面分别设置止水铜片、止浆片各一道，下游面亦设置止浆片一道，止水片、止浆片均固定于大坝基座中。缝内安装重复灌浆系统。根据帷幕灌浆和坝基、坝身排水的需要，在坝内1347.0m高程设置3×3.5m的灌浆排水廊道；1386.4m高程设置排水检查廊道，其中大坝中部断面为2×2.5m，两端靠近岸坡段断面扩大为3×3.5m以兼作灌浆廊道。
2.2 拱坝体形设计
该水库大坝设计为碾压混凝土抛物线双曲拱坝，设计坝高为108m，拱冠处坝底厚26.0m，拱坝厚高比0.2407。拱坝体形设计采用空间坐标系，取坐标原点于坝顶1324m拱冠梁中点处。X轴指向左岸，Y轴指向上游面，Z轴铅直向下。在此坐标系下，各层拱圈中心线方程式为： （1）
拱坝拱冠梁剖面由剖面中心线及高程拱厚决定，其中心线在铅直方向为三次插值曲线，在满足悬臂梁自重应力、倒悬度及上下游坝面曲线保凸的情况下，拱冠梁剖面中下部前倾，中上部后仰。因该拱坝需考虑抗震设计，为减小地震作用时坝体中上部及接近坝基部分的拉应力区，改善坝体应力分布，坝体顶部拱冠梁部分体形略倾向下游。
在水平拱圈的设计上，采用确定水平拱圈中心线的方程来确定拱圈的型式，而拱圈中心线方程则是由各层拱圈水平嵌深、初拟中心角以及拱冠梁的型式决定的。初拟1434.0m，1405.0m，1360.0m，1329.0m四个高程处拱冠梁厚度及剖面中心线走向，从上至下取为Z的三次插值方程，选取合适的拱冠曲率半径及相应的拱端（似）中心角。
工程建成后，大坝坝顶不作为主要交通通道，但坝顶宽度应满足施工期混凝土碾压填筑的施工要求和施工设备布置及灌浆材料和设备运输的需要，同时还应满足闸门安装、大坝运行观测等要求，经综合考虑取坝顶宽度为6.0m。大坝主体采用90天龄期三级配C20碾压混凝土，抗渗标号W8，抗冻标号D50。上游面防渗层采用90天龄期二级配C20变态混凝土和90天龄期二级配C20碾压混凝土，抗渗标号W8，抗冻标号D100，其中变态混凝土厚度0.5m，碾压混凝土1390.0m高程以上厚度2.0m，1390.0～1360.0m高程之间厚度3.0m，1360.0m高程以下厚度4.0m。基础设置2.0m厚的90天龄期二级配C20常态混凝土垫层，抗渗标号W8，抗冻标号D100。下游坝面采用厚度为0.5m的90天龄期三级配C20变态混凝土，抗渗标号W8，抗冻标号D100。坝身排水系统包括坝身排水孔和坝基排水孔，坝基排水孔设于大坝帷幕下游侧，钻孔深度为帷幕深度的0.5倍，钻孔倾向下游，倾角10°；坝身排水孔距大坝上游面距离大于3.0m，为后期钻孔形成，所有排水孔间距均为3m，孔径110mm。坝基及坝身排水都引入1347m高程廊道内的集水井，然后排至下游河道。
3 水库双曲拱坝应力分析
坝应力采用多拱梁法进行分析计算，本次采用拱坝体形优化程序ADASO电算程序计算。采用经多次调整体形并计算出应力大小及其分布合理的优化成果。
3.1 荷载组合
计算工况分为基本荷载组合和特殊荷载组合。
基本荷载组合：工况1：正常蓄水位1320.00m与相应尾水位（无）+坝体自重+设计正常温降+扬压力+泥沙压力+浪压力；工况2：正常蓄水位1320.00m与相应尾水位（无）+坝体自重+设计正常温升+扬压力+泥沙压力+浪压力；工况3：设计洪水位1431.10m与相应尾水位1344.80m+坝体自重+设计正常温升+扬压力+泥沙压力+浪压力；工况4：死水位1273m与相应尾水位（无）+坝体自重+设计正常温升+扬压力+泥沙压力+浪压力。
特殊荷载组合：
工况5：校核洪水位1323m与相应尾水位1216m+坝体自重+设计正常温升+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力；工况6：正常蓄水位1320.00m与相应尾水位（无）+坝体自重+设计正常温降+扬压力+泥沙压力+浪压力+地震荷载（设计烈度七度）；工况7：正常蓄水位1320.00m与相应尾水位（无）+坝体自重+设计正常温升+扬压力+泥沙压力+浪压力+地震荷载（设计烈度七度）。
3.2 计算结果分析
经拱坝应力程序计算，结果表明：
（1）荷载基本组合下，上、下游面最大拉应力为1.01MPa（设计+温升工况，EL1375.0左拱端），最大压应力为4.31MPa（设计+温升工况，EL1375.0右拱端）。荷载特殊组合下，非地震工况时，上、下游面最大拉应力为1.05MPa（EL1375.0左拱端），最大压应力为4.48MPa（EL1375.0右拱端）；地震工况时，上、下游面最大拉应力为1.10MPa（EL1375.0左拱端），最大压应力为4.46MPa（EL1375.0右拱端）。大坝压应力、拉应力均满足规范要求（2）拱坝坝基、坝肩岩体为T1yn1-3灰岩夹泥质灰岩及少量泥灰岩。大坝除右岸顶拱置于弱风化上部外，其余各层拱圈均嵌入弱风化岩体下部至微风化上部。弱风化上部岩体综合允许承载力为2.5～3.0MPa，弱风化下部（微风化上部）岩体综合允许承载力为4～4.5MPa。大坝拱端压应力均小于坝基承载力。（3）不同高程径向最大位移为2.96cm，发生在1420.0m高程，正常+温降+地震工况。不同高程的径向变位均符合一般规律，其值与发生位置均与拱坝位移分布规律相符。
4 结语
经分析，该水库双曲拱坝坝轴线的选择是合理恰当的，使地形、地质等条件更为优越，坝体方量及断层处理工程量也得到有效控制。同时，该水库大坝采用的抛物线变厚双曲拱坝方案，其体形能更好的适应坝址地形地质条件，坝体应力分析结果表明其应力状态分布更趋合理，坝肩岩体更加稳定，整体安全可靠性高。
参考文献：
[1]李宙.锦潭水电站混凝土双曲拱坝的设计[J].人江，2008，（2）：51-55.
[2]SL282-2003，混凝土拱坝设计规范[S].
[3]郑春有，杨延文.拱坝设计方法浅析[J].吉林水利，2011，（04）：11-12.