牛头山水电站混凝土双曲拱坝设计和水库提前蓄水研究

水力发电　第３２卷第１０期　２００６年１Ｏ月　文章编号：０５５９—９３４２（２００６）１０—００５０—０３　牛头山水电站混凝土双曲拱坝设计　和水库提前蓄水研究　徐建军，叶建群　（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州３１００１４）　关键词：拱坝；坝肩稳定；基础处理；提前蓄水；牛头山水电站　摘要：牛头山水电站大坝为抛物线形混凝土双曲拱坝，最大坝高１０８．０　ｍ，采用坝顶５孑Ｌ开敞式溢洪道泄洪，挑流　消能。为提前发挥水电站效益，在拱坝尚未完全封拱的情况下，通过计算分析，得出了水库可以下闸蓄水的结论。　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｄｏｕｂｌｅ－Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ　Ａｒｃｈ　Ｄａｍ　ｏｆ　Ｎｉｕｔｏｕｓｈａｎ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｍｐｏｕｎｄｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ａｈｅａｄ　ｏｆ　Ｔｉｍｅ　Ｘｕ　Ｊｉａｎｊｕｎ，Ｙｅ　Ｊｉａｎｑｕｎ　（Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，　Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３　１００１４）　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ａｒｃｈ　ｄａｍ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａｂｕｔｍｅｎｔ；ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｉｍｐｏｕｎｄｍｅｎｔ　ａｈｅａｄ；Ｎｉｕｔｏｕｓｈａｎ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄａｍ　ｆｏｒ　Ｎｉｕｔｏｕｓｈａｎ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｄｏｕｂｌｅ—ｃｕｒｖａｔｕｒｅ　ａｒｃｈ　ｄａｍ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄａｍ　ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　１０８．０　ｍ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｉｆｖｅ　ｏｐｅｎ　ｓｐｉｌｌｗａｙｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｃｒｅｓｔ　ｆｏｒ　ｒｅｌｅａｓｉｎｇ　ｆｌｏｏｄ．Ｔｈｅ　ｓｋｉ－ｊｕｍｐ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｏｒｓ　ａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｇｉｖｅ　ｐｌａｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ａｈｅａｄ　ｏｆ　ｔｉｍｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ，　ｗｅ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｃａｎ　ｉｍｐｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ　ａｈｅａｄ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｒｃｈ　ｄａｍ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｙｅｔ　ｃｌｏｓｅｄ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ．　中图分类号：ＴＶ６４２．４２（２５７）　文献标识码：Ｂ　１工程概况　ｌ】月水库下闸蓄水，同年１２月第一台机组发电。　牛头山水电站位于福建省寿宁县西部长溪河上，为长溪　２大坝布置　干流开发“一库八级”的龙头水库。坝址以上控制流域面积　２．１　总体布置　５６４　ｋｍ２．水库总库容９　８９９万ｍ　，调节库容７　８２７万ｍ　，为　牛头山水电站坝址为“Ｖ”字形河谷，两岸山体雄厚，地形　年调节水库。工程以发电为主，电站装机容量１００　ＭＷ，多年　基本对称，左岸地形坡度４５。～５５。，右岸４Ｏ。～５Ｏ。。正常蓄水位　平均发电量２．９５４　７亿ｋＷ・ｈ。　３４０．０　ｉｎ时　河　宽约２３５　ｉｎ，天然河谷宽高比为２．３Ｏ。坝址　牛头山水电站为Ⅲ等工程．拦河坝按２级建筑物没计，　区出露地层为侏罗系上统南同组第二段（Ｊ　ｎｂ）晶屑凝灰熔岩　引水隧洞及发电厂房为３级建筑物，二道坝等次要建筑物为　和少量第四系洪积、坡积物，新鲜岩石致密坚硬，风化程度总　４级建筑物。水库正常运用洪水标准为１００年一遇洪水没　体较浅．无制约性的断层和节理密集带，坝址具备修建薄拱　计．非常运用洪水标准为５００年一遇洪水校核。坝址区地震　坝的地形、地质条件。　基＿奉烈度为Ⅵ度。　拦河坝采用抛物线型混凝土双曲拱坝．最大坝高１０８。０　枢纽工程南拦河坝、引水发电系统、地面厂房和开关站　ｍ．拱冠梁顶宽５．５　ｍ，底宽２ｌ＿０　ｍ，拱冠梁厚高比０．１９４，坝　等组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝．坝顶高程３４３．０　ｍ．最大　坝高１０８。０　ｍ；引水隧洞长约７　ｋｍ．最大开挖洞径７．０　ＨＩ；厂　收稿１５１期：２００６—０７—２６　房位于斜滩镇钱塘村牛头山大河湾附近，采用引水式地面厂　作者简介：徐建军（１９７２一）．男，浙江海盐人，高级工程师，一级　房．安装两台５Ｏ　ＭＷ竖轴混流式水轮发电机组　注册结构工程师，从事水电设计工作；叶建群（１９６ｏ＿＿），男，上海市　牛头山水电站主体丁程于２０ｏ２年１２月开工，２００５年　人．副总＿Ｊ．程师．教授级高工，一级注册建造师．从事水电设计工作．　团Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．１０　维普资讯 http://www.cqvip.com

厢ｊ二世牙５　１ｕ删　休旦｜兰牛，守：十六山／Ｊ＼吧　匕匕傩上从衄　议　１个ＵＩ．ＮＩ￣：征日Ｕ苗／Ｊ＼计　顶中心线弧长２９７．１　１Ｉ＂１，最大中心角９５．３７。，最大倒悬度０．２２。　溢洪道布置在坝顶中部，共没５孔，每孔净宽９．０　Ｉｌｌ，堰顶高　程３３０．０　ｉｎ，采用开敞式向心平行布置，挑流消能。拱坝下游　约１　３０　ｎｌ处设单心单曲拱坝形成水挚塘，两岸采用平均厚　１．５　Ｉｌｌ的混凝土护坡进行防护。拱坝平面布置如图ｌ所示。　灌区，一般高度差为１０．０～１２．０　Ｉｌｌ。横缝的每个灌区布置两套　灌浆系统，进浆管采用　４０　ＩｌｌｌＩｌ　Ｕ型铁管；垂直升浆管采用　塑料充气拔管，间距１．５　Ｉｌｌ，成孔孔径　３０　ＩｌｌｌＩｌ；灌区顶部采用　三角形排气槽　２．５坝体廊道　坝内设置基础帷幕灌浆兼排水廊道，为城门洞形，其断　面尺寸为２．５　ｒｅｘ３．５　Ｉｌｌ（３０７．０　Ｉｌｌ以上为１．５　Ｉｌｌｘ２．５　Ｉｌ１），河床　段底高程为２４０．０　１Ｉ＂１，左岸延伸至坝顶，右岸延伸３２５．０　ｌＩｌ。在　２７２．０　Ｉｌｌ、３０７．０　Ｉｌｌ高程处没城门洞形观测廊道，断面尺寸为　１．５　ｅｘ２．ｒ５　Ｉｌｌ，在坝下游面２７２．０　Ｉｌｌ，３０７．０　ｌＩｌ高程设置预制混　凝土人行便桥　基础灌浆及排水廊道、观测廊道和下游人行　便桥相互连通，并通过左岸灌浆及排水廊道与坝顶相连。　圈１拱坝平面布置　因下游校核水位为２５９．５０　Ｉｌ１．高于坝基灌浆及排水廊道，　２．２　拱坝体形设计　Ｔ程正常蓄水位３４０．０　Ｉｌｌ，没计洪水位（洪水频率Ｊｐ＝１％）　为３４２．６６　Ｉｌｌ，校核洪水位（Ｐ＝０．２％）为３４３．０　Ｉｌｌ。依据《拱坝设　因此．廊道排水采用抽排式。在２４０．０　ｌＩｌ帷幕灌浆及排水廊　道旁布置集水井，用水泵通过预埋　８０　ｌＩｌｌＩｌ的排水管将渗水　在２６２．５　Ｉｌｌ高程处集中抽排至下游水垫塘内。　计规范》的有关规定，进行风浪计算后，确定坝顶高程为　３４３．０　ｌＩｌ。根据坝肩岩体物理力学性能和对其承载能力的分　析研究，拟定拱坝中、下部建基面采用微风化岩体．对于上部　和其他局部部位，适当利用弱风化的下部岩体。按上述标准，　并经拱座稳定复核，确定了拱坝两岸坝肩嵌入深度和河床建　基高程。拱坝体型采用抛物线双曲变厚拱坝．经体形优化后，　确定了牛头山拱坝的最终体形。　２．３坝体混凝±　３　拱坝应力分析　坝体应力分析分别采用拱梁分载法和有限元法。拱坝体　形设计和优化阶段采用浙江大学编制的ＡＤＡＯ拱梁分载法程　序．各种荷载组合时的拱坝最大主拉、压应力汇总于表１。　从表１计算成果可知．各种工况坝体上、下游面的最大　主应力值均小于应力控制标准，坝体应力分布均匀，处于弹　性工作状态，满足规范要求。　混凝土双曲拱坝坝体较薄，坝体应力水平较高。考虑到　工程的规模和方便施工．坝体材料分区应在满足混凝土强度　为进一步了解选定拱坝体形的应力应变状态，对拱坝坝　体及坝基进行了三维非线性有限元分析。分析成果表明，在正常　及耐久性要求的前提下，力求简洁：坝体２３５．０～２８９．０　Ｉｌｌ高程　混凝土采用Ｃｇｏ２０Ｗ８Ｆ５０四级配．坝体２８９．０～３４３．０　Ｉｌｌ高程混　凝士采用Ｃｇｏ２０Ｗ６Ｆ５０四级配．溢流堰面混凝土和闸墩混凝　土均采用Ｃｑｆ１２５Ｗ８Ｆ５０三级配，以上混凝土中均掺２５％的Ⅱ　级以上粉煤灰。　蓄水位＋温降工况时，上游面最大拉应力为１．０６　ＭＰａ，下游面最大　主压应力为３．５０　ＭＰａ：在校核水位＋温升工况时，上游面最大　拉应力为１．２４　ＭＰａ，下游面最大主压应力为３．９７　ＭＰａ。在各种　工况下．拱坝均处于弹性工作状态，拱坝应力、应变符合一般　规律．数值与同类工程相当，说明拱坝体形设计合理。　２．４坝体分缝分块　横缝布置主要由混凝土浇筑能力、温控措施及坝块的长　４坝肩稳定分析　坝址区断层规模均不大，多为裂隙性断层，产状以走向　宽比所决定。综合考虑上述因素，拱坝共分为１５个坝段，除　８、９号坝段　溢流面分缝需要宽度定为２２．０　Ｉｌｌ外，其余横缝　间距一般为２０．０　Ｉｌｌ。横缝采用全径向扭缝．上、下游分别设止　ＮＮＥ为主，走向ＮＷ次之，除ｆｌ６，ｆ：。为缓倾角外，其余为陡倾　角：而坝址构造节理，多数为中高倾角，节理面比较平直，延伸　长约１５～３０　ｌＩｌ：缓倾角裂隙为卸荷形成，主要在临河岸边出露，　面呈波状断续延伸．局部见厚１～３　ｔＩｌｌ的压碎岩或岩屑，往深　部约在２０　ｍ以内闭合尖灭。根据对坝址勘探揭露的主要结构　面进行分析，其中左岸ｆ２与ｆ１　、　与ｋ以及右岸ｆ１　与ｆ２　ｌ所构　水、止浆片，其中上游设一道铜止水片，一道ＰＶＣ止水片，　ＰＶＣ止水片兼作止浆片．下游及水平止浆片采用ＰＶＣ止水片。　缝内设置球形键槽和灌浆系统　球形键槽间距７５　ＣＩｌｌＸ　７５　ｔＩｌｌ，直径５５　ＣＩｌｌ，键槽深１５　ｃｍ。拱坝按高程共分为１０个　表１　坝体应力应变计算成果表　注：表中位置项ｆｍＲ　ｎＣ】表示拱坝第ｍ层拱从拱冠梁向右岸数第ｎ条梁，ｎ负值表示左岸，ｎ为０表示拱冠梁，整个拱坝共分８拱１７梁。位移　向下游为正，向上游为负。　ＷｃａｅｒＰｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．１０田　维普资讯 http://www.cqvip.com

小／Ｊ及吧　ＵＵｏ工Ｆ　ｌｔＪ卜ｊ　．成的楔形体，在拱推力作．１｝ｊ下，可能产生向下游滑出的趋势。　坝肩稳定分析采用刚体极限平衡法，经稳定计算分析，　坝肩稳定南正常蓄水位＋温降荷载组合控制。左岸ｆ３一ｑ－　Ｌ６组　合体稳定安全系数为３．８１，满足规范要求；而左岸ｆ２与ｆ　．所　构成的楔形体和有岸ｆ．　与　．所构成的楔形体抗滑安全系数　仅为１．９４和２．７２，不能满足设计要求。由于以上楔形体在坝　基内的范围不大，设计采用将拱坝基础范围内的楔形体全部　挖除再回填混凝土的处理方案，处理后，经分析计算其抗滑　稳定安全系数满足规范要求。　５基础处理设计　５．１　坝基开挖　两岸坝肩均存在一定高度的开挖边坡．左岸边坡最大高　度约６０　ｍ，右岸边坡最大高度约５０　１１１．左、右岸开挖边坡整　体稳定，但由于拱肩槽的开挖，在陡倾角节理组合和切割下．　可能产生局部块体稳定问题。　拱坝基础按全径向开挖，沿轴线方向基岩面呈连续斜　面。弱风化和微风化岩体上、下游开挖坡度１：０．３，强风化岩　体开挖坡为１：０．５，每３０．０　ｍ设置一级宽２　３　ｎ　的马道。为确　保施工期和运行期的稳定，左、右岸拱肩槽边坡采取必要的　工程支护和排水措施。　５．２基础灌浆及排水　为加强拱坝基础整体性和刚度，对坝基进行全面『司结灌　浆。河床段（２３５．０　ｍ）采用有盖重固结灌浆，灌浆孔基本孔距　３．０　ｍｘ３．０　ｎｌ，呈梅花形布置，孔深８．０　ｍ。岸坡段采用无盖重　固结灌浆，灌浆孔垂直开挖面，基本孔深８．０～６．０　ｍ。根据开　挖揭露的建基面条件，对局部存在弱风化岩体或裂隙较发育　部位，固结灌浆孔间距加密至２．０　ｍｘ２．０　ｍ．孔深８．０　ｎｌ　拱坝３０７．０　ｍ以下布置主、副帷幕灌浆孔各一排，沿灌　浆及排水廊道布置，孔距２．５　ｎｌ，主帷幕灌浆孔深入相对隔水　层（ｑ＜１　Ｌｕ）以下５．０—１０．０　ｎｌ，在主帷幕上游布置副帷幕，副　帷幕孔深为主帷幕的０．５倍。主帷幕孔向上游偏转５。，副帷　幕孔向上游偏转１３。。拱坝３０７．０　ＩＩ１至坝顶布置一排帷幕．孔　距２．５　ｎｌ，帷幕孔向上游偏转５。。在两岸坝顶高程３４３．０　ｍ各　布置一条灌浆及排水平洞，将帷幕向两岸山体内延伸，左岸　长５０．０　ｎｌ，右岸长５１．５　ｍ。向两岸延伸的帷幕轴线均由拱端　折ｒ口Ｊ上游（与拱坝中心线垂线夹角１２。）．以尽可能降低两岸　抗力岩体内的渗透压力。　帷幕下游设一排排水孔，孔距３．０　ｍ．排水＂ｆＬ－ｆＬ深为主帷　幕的０．６倍。河床及拱坝３０７．０　ｎｌ以下段、两岸灌浆排水平洞　的排水孔布置于灌浆排水廊道（平洞）内帷幕下游侧．排水孔　向下游偏转７。；拱坝３０７．０　ｍ～坝顶段的排水孔布置于拱坝　下游坝趾处，排水孔向上游偏７。。拱坝下游３０～５０　ｍ的左、　右岸坝肩中各设两层排水平洞，排水平洞内设置深排水孔．　以降低坝肩地下水位，提高两岸坝肩整体稳定性。　５．３断层、破碎带处理　对于较大规模的断层和破碎带。一般进行挖槽后回填混　凝土塞处理，挖槽深度为断层和破碎带宽度的１．５倍。两侧　坡度不大于６０。，顺河向的槽长要求延伸至坝基外０．５　ｍ，断　固Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．１０　层挖槽后尽快回填混凝土。Ｆ｝１于ｆ．　断层内充填岩块岩屑，ｆ２　断层内充填泥夹岩屑，可能形成渗漏通道，因此，沿　、　缓　倾角断层住上游侧帷幕位置分别设置了防渗洞兼作抗剪洞，　洞长２Ｏ．０　１１１，回填混凝土并进行回填和接触灌浆。　６水库提前蓄水研究　根据丁程原总体进度计划，２００５年１２月底拱坝混凝土　浇筑到顶．２００６年３月底前完成坝体３３０．０　ｍ以下横缝灌　浆，４月底前完成全部横缝灌浆；２００６年１月完成导流底孔　封堵．４月导流隧洞下闸封堵．水库开始蓄水。　实际大坝施＿Ｔ：中，进度有所提前，２００５年７月底前坝体　混凝土就已浇筑至坝顶３４３．０　ＩＩ１高程。由于２００５年５月以　前只完成了拱坝３０５．０　１１１以下横缝灌浆，而５月份以后气温　逐渐升高，在高温季节难以进行混凝土二期冷却和横缝灌　浆．拱坝３０５．０　ｍ以上封拱灌浆只能安排在２００５年底～２００６　年初的低温时段进行。因此，能否在拱坝３０５．０　ｎｌ以上不封　拱灌浆的情况下水库提前下闸蓄水，充分发挥工程效益，值　得分析研究　通过计算．水库在不考虑临时放空管和机组参与泄洪的　情况下，９月至次年４月．水库最高水位可达３３１．４１　ｍ（２９０．０　ｎｌ起调）和３３７．３７　ｎｌ（３３０．０　Ｉ１１起调），超出拱坝已封拱灌浆高　程（３０５．０　ｍ）达２６．４１　ｍ和３２、３７　ｍ。经采用材料力学法计算　分析．上述工况下的坝体悬臂段应力将超出规范要求。　而实际情况下．由于拱坝横缝张开很小，在水荷载作用　下，拱坝各坝段将会产生接触，传递部分拱向作用力，采用材　料力学法计算的坝体悬臂段应力显然偏于保守。因此，采用　三维有限元法来分析水库提前蓄水对拱坝应力和应变产生　的影响，研究水库提前蓄水的可行性。　在有限元分析中．拱坝横缝的模拟在数学上采用变形接　触判断．精确计算各个坝段的应变，进行接触判断和传力分　析。在两坝段未接触前，每个坝段作为单个悬臂结构，不考虑　其相互问作用力：接触发生后考虑坝段之间的相互作用，以　真实反映其应力应变状态．并在有限元分析模型中施加约束　以防接触体的交叉和穿透。计算模型中拱坝封拱高程至　３０５．０　ｎ１．３０５．０　ｍ以上缝宽根据现场实际情况取２．０　ｎｌｉｎ。　计算考虑了３３１．４ｌ　ｍ水位＋温降荷载（工况①）和　３３７．３７　ｍ水位＋温升荷载（工况②）的情况。计算成果表明，在　上述工况下．拱坝整体应力、应变情况良好，应力仍控制在设　计要求范围内。工况①时３０５．０　ｍ未封拱坝段上游面最大主　拉应力为０．４～０．７　ＭＰａ，最大：主压应力一０．７—２．３　ＭＰａ；下游面　最大主拉应力为０．５～０．６　ＭＰａ．最大主压应力一０．７一１．９　ＭＰａ。　工况②时３０５．０　ｍ未封拱坝段上、下游面均处于受压状态，　其中上游面为一０．６—１．６　ＭＰａ，下游面为一１．０—４．０　ＭＰａ。由于　以上应力成果是在考虑了全温升或全温降情况下得出的，因　此实际应力可能比上述计算值还要小一些。　通过对拱坝提前蓄水可行性研究可以得出，牛头山水电　站工程在拱坝３０５．０　１１１以上未封拱情况下提前蓄水是可行　的。工程于２００５年ｌ１月顺利提前下闸蓄水。１２月，第一台　机组正式投入商业运行。