刘其文

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

沙坝水电站位于贵州省遵义市务川仡佬族、苗族自治县境内，是乌江支流洪渡河水电梯级开发的第五级，坝址距遵义市191km。洪渡河全流域集水面积3739km2，主河道长205km，坝址以上集水面积1396km2，主河道长102km。工程区位于中亚热带湿润季风气候区，多年平均气温15.5℃，年平均相对湿度80%，多年平均最大风速7.8m/s，多年平均降水量为1194mm。

坝址两岸山体雄厚完整，基岩裸露，左岸自然坡度66～72°，右岸70～82°，正常蓄水位河谷宽高比1.3。出露地层为二叠系下统栖霞 (P1q)、茅口组 (P1m)中至厚层灰岩，饱和抗压强度38～48MPa，岩层倾向下游略偏右岸，倾角45～55°。

沙坝水库正常蓄水位615.00m，总库容9940万m3，电站装机30MW，多年平均发电量1.293亿kW·h。电站采用混合式开发，工程枢纽由碾压混凝土双曲拱坝、表孔、底孔、二道坝、引水系统及发电厂房等建筑物组成。

挡水建筑物为单心圆碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程620.00m，坝顶宽度6.00m，坝底厚度19.715m，最大坝高84.50m，顶拱中心角96.721°，坝顶弧长148.55m。

溢流表孔布置在坝顶中部河床段，堰顶高程603.00m，溢流净宽45.00m，分5孔，采用挑流消能，单数孔为低坎，鼻坎高程590.26m，双数孔为高坎，鼻坎高程597.44m。

底孔布置在表孔右侧，总长度39.15m，底板高程570.00m，孔身尺寸为3.00m×5.00m，出口尺寸为3.00m×4.00m，进口设平面事故闸门，出口设弧形工作闸门，采用挑流消能。

施工图设计阶段，在原设计成果的基础上，经认真分析研究后，对坝轴线、建基面和拱坝体型等进行了优化设计，通过仿真计算分析，对分缝数量、位置、型式及成缝方式等均进行了详细设计。

2 控制标准

拱坝体型优化应力计算采用多拱梁法，坝肩稳定分析采用刚体极限平衡法，按抗剪断公式计算。大坝为3级建筑物，大坝主体采用C15碾压混凝土，根据参考文献［1］坝体应力和稳定控制指标见表1。

表1 多拱梁法坝体应力和稳定控制指标

有限元计算拉应力控制指标根据混凝土试验资料按下式计算［2］:

式中:σ为混凝土允许拉应力;ερ为混凝土极限拉伸值;EC为混凝土弹性模量;Kf为安全系数，取1.50。

根据上式计算得出坝体允许拉应力见表2。

表2 有限元法坝体拉应力控制指标

3 拱坝体型优化设计

3.1 坝轴线优化

经分析论证，原拱坝设计存在以下不足:①左拱端600.00m高程以上负地形对坝肩抗滑稳定不利;②河床段坝基分别位于P1q3和P1m1岩体内，承载力和变形性能不一致;③坝肩下部为 P1m1，弹模6～7GPa，中上部为P1m2，弹模9～13GPa，上硬下软的岩性分布对坝体应力不利;④水工模型试验结果反映，表孔冲坑将发展至抗冲能力相对较低的P1m1岩体内。为了改善坝体应力和增加坝肩抗滑稳定安全裕度，并将表孔冲坑尽量集中在抗冲能力较高的P1m2岩体范围内，将坝轴线较原设计下移18.00m。

3.2 建基面高程优化

坝轴线向下移动后，大坝持力层岩体全部为P1m，强度较原设计有所提高。坝基开挖至537.00m高程时，出露岩石新鲜完整，经声波检测岩体已达微风化，能满足建坝要求，故将建基面高程由532.00m抬高至535.50m。

3.3 拱坝体型优化

坝址河谷狭窄，两岸地形基本对称，经对单心圆和抛物线两种拱坝进行计算分析，不同线型拱坝工程量相差不到2%。鉴于本工程采用碾压混凝土筑坝，为发挥该技术快速施工的优势，应力求拱坝布置和体型设计尽量简单，故选择单心圆拱坝进行体型优化。

拱坝优化设计原则为:①在应力和稳定均满足规范要求时，工程量最省;②在工程量一定，应力满足规范要求时，稳定安全系数最大;③坝体倒悬度尽量小，以方便施工。

经对坝肩嵌深、拱冠梁形状、拱圈中心角、倒悬度等多目标优化后，得到采用的拱坝体型 (见表3)。优化设计后坝体混凝土较原设计减少0.95×104m3，约8%;开挖工程量减少2.55×104m3，约22%。

表3 拱坝体型对比表

4 坝体分缝及灌浆设计

4.1 分缝数量及位置

根据碾压混凝土施工的特点，若坝体不设缝，则施工完毕后就自然封拱形成整体，因坝体弧长与厚度比值较大，当温度应力和混凝土干缩叠加并达到一定程度后，将导致坝体产生横向裂缝。除了从材料方面入手，提高碾压混凝土的抗裂性能外，还得采取结构措施，尽量释放由温度和干缩等因素在坝体内积蓄的能量。

为了掌握坝体应力分布状况和有针对性地采取结构措施，结合施工进度计划进行了有限元仿真计算专题研究，共计算了无缝无温控、一条缝无温控、一条缝通水冷却、两条缝通水冷却等多个方案。

有限元仿真计算研究成果［2］反映:①坝体不分缝时上游面最大拉应力为2.87MPa，下游面最大拉应力为2.43MPa，均超过混凝土的允许拉应力;②坝体左侧分1条缝后，近缝区域应力有所改善，但远离分缝区域无明显改善;③坝体左侧分1条缝，并对03—04、10—11月份浇筑的混凝土通河水进行冷却后，坝体应力状况有进一步改善，但坝体下游面中部及右侧仍超过允许拉应力;④坝体分两条缝后，如不采取有效的温控措施，仍将会有部分区域的应力超标准;⑤坝体分2条缝，并采取一定温控措施后，上游面的最大拉应力为1.62MPa，下游面的最大拉应力为1.27MPa，满足应力控制标准。

根据研究成果在坝身左右岸各设1条缝，将坝体分为3个坝段，坝段长度从右至左分别为 23.816，87.053，37.684m，1#缝垂直高度71.00m，2#缝垂直高度75.00m。

4.2 分缝形式

考虑到仿真计算假定的边界条件与实际施工条件可能会有差异，坝轴线长度不到150m，坝体设缝后不一定会完全张开，若设置横缝将人为的削弱拱坝整体性，且有碍碾压混凝土通仓浇筑，故2条缝均采用诱导缝。诱导缝上游面设置2道铜片止水，下游面设1道止浆片，缝内安装重复灌浆系统，灌浆区最大高度9.00m，最大面积150m2。

4.3 成缝方式

诱导缝采用预埋混凝土预制块成缝，预制块长度1.00m，水平间距0.50m，垂直间距0.60m，对坝体断面削弱约为20%。

通过工程实践和分析总结，对成缝预制块截面形状进行了改进:①预制块采用“L”形截面，以减轻重量，方便现场搬运和安装;②在预制块“L”形截面内侧设置贴角，以提高其结构强度，并方便碾压混凝土施工和保证质量。

5 结语

(1)经对坝轴线、建基面和拱坝体型等几方面的优化，坝体混凝土减少8%，开挖工程量减少22%，节约了工程投资。

(2)通过有限元仿真计算研究，合理选择分缝数量、位置及型式，达到了有效控制坝体裂缝的目的。

(3)采用预埋混凝土预制块成缝，为碾压混凝土通仓浇筑创造条件，充分发挥了碾压混凝土快速施工优势。

(4)采用新型成缝预制块，更方便现场施工和保证质量。

［1］中华人民共和国水利部.SL 282—2003混凝土拱坝设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2003.

［2］张国新，刘玉，杨波，等.洪渡河务川沙坝电站大坝有限元温控仿真计算研究 ［R］.北京:中国水利水电科学研究院，2005.