水库拱坝度汛安全分析
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本文作者：张建平1朱友聪2作者单位：1.浙江省水利水电勘测设计院2.浙江同济科技职业学院
1问题提出
根据《混凝土拱坝设计规范》(SL282－2003)9．2．5条规定，“拱坝横缝和纵缝必须进行接缝灌浆．灌浆时坝体温度应降到设计规定值．缝两侧坝体混凝土龄期，在采取有效措施后，不宜小于4个月．灌浆浆液结石达到预期强度后，坝体方能挡水受力．”［1］也就是说，拱坝坝体必须经过封拱灌浆，且达到设计强度后，水库才能蓄水．另外，该条规范还规定，拱坝横缝尚未灌浆而需要临时拦洪时，必须专门论证．浙江省文成县东坑岭水电站大坝坝体灌浆分4区，设计封拱温度为12℃～14℃，安排在1～3月份进行．坝体的现状是1、2、3分区在规定时间内已进行封拱灌浆，第4分区由于混凝土龄期未达到设计要求未进行封拱，随后又由于气温升高，汛期来临，封拱温度达不到设计要求，只能将第四分区的封拱时间安排在该年冬季进行．由于汛期将至，该水库为坝顶自由泄洪外加一Φ600的放水管，无其它洪泄设备，综合各方面的实际情况，要求在该年汛期期间进行蓄水临时度汛．目前国内拱坝中出现坝顶竖向裂缝比较常见，对这种裂缝，只要重视监控检查，掌握其变化规律，可以适时修补，继续运用．而本工程的第4灌区未进行灌浆与该种裂缝相类似，因此也可以说在此种情况下确保临时蓄水度汛安全具有一定的指导意义［2－3］．
2工程概况
该水电站大坝坝址位于浙江省飞云江流域支流玉泉溪上游．坝址以上控制集水面积6．90km2，水库总库容111．91万m3，水库正常库容92．02万m3，电站装机容量2×2500kW．拦河大坝采用混合线型双曲混凝土拱坝，坝体材料为C15、S6混凝土．坝顶高程606．2m，坝底高程565m，最大坝高41．2m．拱冠梁顶厚1．96m，拱冠梁底厚7．44m，厚高比0．181，坝顶中心弧线长113．8m．水库泄洪采用坝顶表孔溢流，最大泄流量267.6m3/s．溢流段净宽24．0m，堰面采用WES型曲线，堰顶高程603．0m，不设闸门．坝后消能采用挑流消能，表孔反弧半径6．0m，挑流鼻坎高程600.586m．大坝共设7个坝段，其中3、4、5三坝段为溢流坝段，段长16m．坝段间进行封拱灌浆．坝体灌浆分四区进行:其中高程565～569m为第1分区，569～580m为第2分区，580～592m为第3分区，592～坝顶为第4分区大坝施工导流设施为Φ1800的钢管，位于大坝中心处．发电隧洞进水口布置在右岸，进口段中心处高程为582．80m，采用DN1400的压力钢和主隧洞相连，在头部隧洞顶部到岸坡混凝土之间设一根DN500通气管，工作闸门为一扇1．4m×1．4m的方形插板门，闸门外缘设拦污栅，启闭机地面高程为606．45m，内设一台DS30T螺杆式启闭机．
3水库初期蓄水渡汛方案
3．1水库放空能力计算
水库放空设施为埋在坝内的放水孔，必要时发电输水隧洞(进口中心582．80m高程，过机流量2×0．781m3/s)亦可放水．放水(冲砂)孔中心高程575．0m，管径Φ600．末端设Φ600锥形工作阀门为常闭．锥形阀流量按下式计算：（略）。库区天然来水量依据坝址逐日平均流量的年平均值取0．53m3/s，锥形阀按100%开度计算．放空时分别按工况I即放水孔与隧洞同时放水，工况Ⅱ即放水孔单独放水二种工况．正常水位的相应放空时间，见表1．
3．2临时度汛方案
由于目前大坝第4区封拱灌浆未完成，水库初期蓄水渡汛必需控制运用，方案如下:(1)初期(今年)蓄水控制水位为585．00m(即死水位);(2)当库水位超过585．00m时，即打开放水管阀门(全开)，同时水电站二台机组尽量满负荷发电，以降低库水位;(3)当遇暴雨时，水库控制水位585．00m即为起调水位，此时不同频率洪水经水库调洪后的可能最高水位见表2．由表2知，当放水管加发电洞开启后，3年一遇洪水时，最高水位为598．77m，20年一遇洪水位为604．71m．
4结构计算分析
4．1设计参数
拱坝体型参数见表3．正常蓄水位603m，设计洪水位605．60m，校核洪水位606．20m．溢流头顶高程603．0m，溢流段总净宽24m．发电死水位584．0m，淤沙高程581．0m．淤沙浮容重10kN/m3，淤沙内磨擦角18°．基岩弹模1．5×104MPa，泊桑比0．21．坝体材料弹模1．8×104MPa，泊桑比0．17，容重24kN/m3，线膨胀系数1×10－5/℃，导温系数3m2/月．年平均气温+日照影响为18℃，年气温温降变幅+日照影响为10℃，年气温温升变幅+日照影响为10℃，库水表面年平均水温+日照影响为19℃，库水表面年水温温降变幅+日照影响为10℃，库水表面年水温温升变幅+日照影响为10℃，库底水温为10℃．
4．2设计工况
坝体灌浆分4区进行:其中高程565～569m为第1分区，569～580m为第2分区，580～592m为第3分区，592～坝顶为第4分区．坝体的现状是1、2、3分区已进行封拱灌浆，封拱温度为12～14度，第4分区由于混凝土龄期未达到设计要求没有封拱，随后又由于气温升高，汛期来临，封拱温度达不到设计要求，第4分区的封拱时间将安排在该年冬季进行．由于汛期将至，该水库为坝顶自由泄洪外加一Φ600的放水管，无其它洪泄设备，综合各方面的实际情况，要求在该年汛期期间进行蓄水．1、2、3分区根据实际封拱灌浆时的坝体温度，592．0m～坝顶分区因混凝土龄期和天气原因未封拱及坝基实际开挖的边界条件重新对大坝作了应力分析．因此，根据实际的坝体温度对大坝结构进行应力分析，考虑以下几种工况:(1)水库永久蓄水时考虑工况①基本工况正常水位+温降+自重+泥沙压力死水位+温降+自重+泥沙压力死水位+温升+自重+泥水压力②特殊工况校核洪水位+温升+自重+泥沙压力(2)水库在该年汛期临时蓄水时考虑工况①工况1考虑未封拱段为悬臂，不考虑拱向作用，计算不同水位时，悬臂固端的应力．②工况2根据未封拱段的实测缝张开度和混凝土的线胀系数，考虑未封拱坝段的拱向作用，计算不同时间的坝体应力(20年一遇临时度汛洪水位+温升(7、8、9、10月)+泥沙压力)．
4．3应力计算方法及成果
应力计算方法采用拱梁分载法．计算成果如下:(1)永久蓄水时，各种规范要求的计算工况均满足规范要求，见表4．(2)汛期临时蓄水工况工况二－I、只考虑未封拱段为悬臂梁时，悬臂梁固端的应力成果见表5．由上计算成果知，当水库蓄水至600m高程时，悬臂固端处的最大拉应力为0．5MPa，满足规范要求的拱坝独立坝段拉应力允许要求．由此结合前述水文洪水调节计算成果，3年一遇洪量92．0万m3，当打开放空管闸阀和满出力发电时，24h内水库水位为598．77m，相应库容73．5万m3，洪水位＜600m，满足悬臂处拉应力要求．工况二－Ⅱ根据坝缝张开度，考虑拱坝拱向作用时的应力成果见表6．由上述计算成果知，在汛期临时蓄水度汛，且部分考虑拱向作用拱坝的最大拉应力为1．21MPa(7月份)，基本满足规范规定的1．2MPa的允许值要求．
5结语
(1)该年汛期度汛时，该拱坝溢流堰多次过水泄洪，拱坝安全度汛，说明在第4区封拱未完成情况下，临时度汛方案的选择是正确的．(2)在第4区封拱未完成情况下，如果不考虑该区的拱向作用，只考虑悬臂梁时，当水库蓄水至600m高程时，悬臂固端处的最大拉应力为0．5MPa，3年一遇水库水位为598．77m，因此该水库大坝能承受3年一遇洪水．临时度汛标准达不到规范要求的20年一遇要求．如果考虑拱向作用，20年一遇水库水位604．71m，拱坝的最大拉应力为1．21MPa(7月份)，说明该水库大坝能承受20年一遇洪水．说明临时度汛标准能达到规范要求．(3)在拱坝横缝灌浆(封拱)未完成的情况下，一般不允许蓄水．但一些小型水库工程，考虑节省投资，及拱坝建筑物本身特点，一般导流标准较低(选择枯水期3年一遇)，临时度汛时，坝体一般都要过水，因此，本工程在第四灌区为完成灌浆情况下临时蓄水度汛，只要度汛方案选择得当，对工程本身的安全没有影响，安全风险在可控范围内．
