水庫拱壩度汛安全分析

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本文作者：張建平1朱友聰2作者單位：1.浙江省水利水電勘測設計院2.浙江同濟科技職業學院

1問題提出

根據《混凝土拱壩設計規范》(SL282－2003)9．2．5條規定，“拱壩橫縫和縱縫必須進行接縫灌漿．灌漿時壩體溫度應降到設計規定值．縫兩側壩體混凝土齡期，在采取有效措施后，不宜小于4個月．灌漿漿液結石達到預期強度后，壩體方能擋水受力．”［1］也就是說，拱壩壩體必須經過封拱灌漿，且達到設計強度后，水庫才能蓄水．另外，該條規范還規定，拱壩橫縫尚未灌漿而需要臨時攔洪時，必須專門論證．浙江省文成縣東坑嶺水電站大壩壩體灌漿分4區，設計封拱溫度為12℃～14℃，安排在1～3月份進行．壩體的現狀是1、2、3分區在規定時間內已進行封拱灌漿，第4分區由于混凝土齡期未達到設計要求未進行封拱，隨后又由于氣溫升高，汛期來臨，封拱溫度達不到設計要求，只能將第四分區的封拱時間安排在該年冬季進行．由于汛期將至，該水庫為壩頂自由泄洪外加一Φ600的放水管，無其它洪泄設備，綜合各方面的實際情況，要求在該年汛期期間進行蓄水臨時度汛．目前國內拱壩中出現壩頂豎向裂縫比較常見，對這種裂縫，只要重視監控檢查，掌握其變化規律，可以適時修補，繼續運用．而本工程的第4灌區未進行灌漿與該種裂縫相類似，因此也可以說在此種情況下確保臨時蓄水度汛安全具有一定的指導意義［2－3］．

2工程概況

該水電站大壩壩址位于浙江省飛云江流域支流玉泉溪上游．壩址以上控制集水面積6．90km2，水庫總庫容111．91萬m3，水庫正常庫容92．02萬m3，電站裝機容量2×2500kW．攔河大壩采用混合線型雙曲混凝土拱壩，壩體材料為C15、S6混凝土．壩頂高程606．2m，壩底高程565m，最大壩高41．2m．拱冠梁頂厚1．96m，拱冠梁底厚7．44m，厚高比0．181，壩頂中心弧線長113．8m．水庫泄洪采用壩頂表孔溢流，最大泄流量267.6m3/s．溢流段凈寬24．0m，堰面采用WES型曲線，堰頂高程603．0m，不設閘門．壩后消能采用挑流消能，表孔反弧半徑6．0m，挑流鼻坎高程600.586m．大壩共設7個壩段，其中3、4、5三壩段為溢流壩段，段長16m．壩段間進行封拱灌漿．壩體灌漿分四區進行:其中高程565～569m為第1分區，569～580m為第2分區，580～592m為第3分區，592～壩頂為第4分區大壩施工導流設施為Φ1800的鋼管，位于大壩中心處．發電隧洞進水口布置在右岸，進口段中心處高程為582．80m，采用DN1400的壓力鋼和主隧洞相連，在頭部隧洞頂部到岸坡混凝土之間設一根DN500通氣管，工作閘門為一扇1．4m×1．4m的方形插板門，閘門外緣設攔污柵，啟閉機地面高程為606．45m，內設一臺DS30T螺桿式啟閉機．

3水庫初期蓄水渡汛方案

3．1水庫放空能力計算

水庫放空設施為埋在壩內的放水孔，必要時發電輸水隧洞(進口中心582．80m高程，過機流量2×0．781m3/s)亦可放水．放水(沖砂)孔中心高程575．0m，管徑Φ600．末端設Φ600錐形工作閥門為常閉．錐形閥流量按下式計算：（略）。庫區天然來水量依據壩址逐日平均流量的年平均值取0．53m3/s，錐形閥按100%開度計算．放空時分別按工況I即放水孔與隧洞同時放水，工況Ⅱ即放水孔單獨放水二種工況．正常水位的相應放空時間，見表1．

3．2臨時度汛方案

由于目前大壩第4區封拱灌漿未完成，水庫初期蓄水渡汛必需控制運用，方案如下:(1)初期(今年)蓄水控制水位為585．00m(即死水位);(2)當庫水位超過585．00m時，即打開放水管閥門(全開)，同時水電站二臺機組盡量滿負荷發電，以降低庫水位;(3)當遇暴雨時，水庫控制水位585．00m即為起調水位，此時不同頻率洪水經水庫調洪后的可能最高水位見表2．由表2知，當放水管加發電洞開啟后，3年一遇洪水時，最高水位為598．77m，20年一遇洪水位為604．71m．

4結構計算分析

4．1設計參數

拱壩體型參數見表3．正常蓄水位603m，設計洪水位605．60m，校核洪水位606．20m．溢流頭頂高程603．0m，溢流段總凈寬24m．發電死水位584．0m，淤沙高程581．0m．淤沙浮容重10kN/m3，淤沙內磨擦角18°．基巖彈模1．5×104MPa，泊桑比0．21．壩體材料彈模1．8×104MPa，泊桑比0．17，容重24kN/m3，線膨脹系數1×10－5/℃，導溫系數3m2/月．年平均氣溫+日照影響為18℃，年氣溫溫降變幅+日照影響為10℃，年氣溫溫升變幅+日照影響為10℃，庫水表面年平均水溫+日照影響為19℃，庫水表面年水溫溫降變幅+日照影響為10℃，庫水表面年水溫溫升變幅+日照影響為10℃，庫底水溫為10℃．

4．2設計工況

壩體灌漿分4區進行:其中高程565～569m為第1分區，569～580m為第2分區，580～592m為第3分區，592～壩頂為第4分區．壩體的現狀是1、2、3分區已進行封拱灌漿，封拱溫度為12～14度，第4分區由于混凝土齡期未達到設計要求沒有封拱，隨后又由于氣溫升高，汛期來臨，封拱溫度達不到設計要求，第4分區的封拱時間將安排在該年冬季進行．由于汛期將至，該水庫為壩頂自由泄洪外加一Φ600的放水管，無其它洪泄設備，綜合各方面的實際情況，要求在該年汛期期間進行蓄水．1、2、3分區根據實際封拱灌漿時的壩體溫度，592．0m～壩頂分區因混凝土齡期和天氣原因未封拱及壩基實際開挖的邊界條件重新對大壩作了應力分析．因此，根據實際的壩體溫度對大壩結構進行應力分析，考慮以下幾種工況:(1)水庫永久蓄水時考慮工況①基本工況正常水位+溫降+自重+泥沙壓力死水位+溫降+自重+泥沙壓力死水位+溫升+自重+泥水壓力②特殊工況校核洪水位+溫升+自重+泥沙壓力(2)水庫在該年汛期臨時蓄水時考慮工況①工況1考慮未封拱段為懸臂，不考慮拱向作用，計算不同水位時，懸臂固端的應力．②工況2根據未封拱段的實測縫張開度和混凝土的線脹系數，考慮未封拱壩段的拱向作用，計算不同時間的壩體應力(20年一遇臨時度汛洪水位+溫升(7、8、9、10月)+泥沙壓力)．

4．3應力計算方法及成果

應力計算方法采用拱梁分載法．計算成果如下:(1)永久蓄水時，各種規范要求的計算工況均滿足規范要求，見表4．(2)汛期臨時蓄水工況工況二－I、只考慮未封拱段為懸臂梁時，懸臂梁固端的應力成果見表5．由上計算成果知，當水庫蓄水至600m高程時，懸臂固端處的最大拉應力為0．5MPa，滿足規范要求的拱壩獨立壩段拉應力允許要求．由此結合前述水文洪水調節計算成果，3年一遇洪量92．0萬m3，當打開放空管閘閥和滿出力發電時，24h內水庫水位為598．77m，相應庫容73．5萬m3，洪水位＜600m，滿足懸臂處拉應力要求．工況二－Ⅱ根據壩縫張開度，考慮拱壩拱向作用時的應力成果見表6．由上述計算成果知，在汛期臨時蓄水度汛，且部分考慮拱向作用拱壩的最大拉應力為1．21MPa(7月份)，基本滿足規范規定的1．2MPa的允許值要求．

5結語

(1)該年汛期度汛時，該拱壩溢流堰多次過水泄洪，拱壩安全度汛，說明在第4區封拱未完成情況下，臨時度汛方案的選擇是正確的．(2)在第4區封拱未完成情況下，如果不考慮該區的拱向作用，只考慮懸臂梁時，當水庫蓄水至600m高程時，懸臂固端處的最大拉應力為0．5MPa，3年一遇水庫水位為598．77m，因此該水庫大壩能承受3年一遇洪水．臨時度汛標準達不到規范要求的20年一遇要求．如果考慮拱向作用，20年一遇水庫水位604．71m，拱壩的最大拉應力為1．21MPa(7月份)，說明該水庫大壩能承受20年一遇洪水．說明臨時度汛標準能達到規范要求．(3)在拱壩橫縫灌漿(封拱)未完成的情況下，一般不允許蓄水．但一些小型水庫工程，考慮節省投資，及拱壩建筑物本身特點，一般導流標準較低(選擇枯水期3年一遇)，臨時度汛時，壩體一般都要過水，因此，本工程在第四灌區為完成灌漿情況下臨時蓄水度汛，只要度汛方案選擇得當，對工程本身的安全沒有影響，安全風險在可控范圍內．