观音河水库挡水坝段建筑物剖面设计

2019-12-18王洪波

水利科学与寒区工程 2019年6期

王洪波

(黑龙江大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150080)

1 基本资料

1.1 库区情况

观音河水库重力枢纽位于辽宁省本溪市上游地带，是辽宁省内较大型的水利工程项目。该重力枢纽是以兴利农业灌溉的同时防洪、发电、以使该枢纽达到有效解决周边地区供水等目的，同时也为日后周边地区经济发展奠定基础。根据有关资料得知该重力枢纽可容纳的整体最高库容量为1.86亿m3，并根据多年经验以及有关资料规划设计可得知该重力枢纽的灌溉面积为16 666.67 hm2，而旱田约为8666.67 hm2[1-3]。

1.2 水库枢纽地质概况

该水库重力枢纽整体岩体构造归于上升型，河床整体覆盖层仅为2 m左右，较薄。左岸岩层出露，右岸黏土覆盖最厚度为5～7 m[4]。地层岩性：坝区整体走向为向下游南北斜倾，地层的主要组成为砂质、粉质黏土夹碎石层、卵石层。坝址区岩性虽仅有花岗岩但整体地况良好，试验后允许拉应力为28 kg/cm2，混凝土与基础岩层间摩擦系数f=0.68。枢纽两岸沿岩层有所渗漏，岩心裂隙发育，无破碎带。

1.3 建筑物级别及洪水标准

根据《中小型水库设计》规定，水库库容在1～10亿m3的为大(2)型水库。根据《水利水电工程基本技术规定》，属于Ⅱ等工程。主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。2级主要建筑物的设计洪水为50 a一遇，校核洪水为1000 a一遇；3级次要建筑物的设计洪水为50 a一遇，校核洪水为100 a一遇；4级临时建筑物4级为20 a一遇设计，50 a一遇校核。

1.4 水库特性及相应下泄量关系

观音河水库特性及相应下泄量见表1。

表1 水库特性及相应下泄量关系

2 主要设计方案的选择与论证

2.1 坝型选择

选取坝型的主要影响因素有库区地理形势条件、库区地址条件、枢纽坝型地址概况、库区的整体抗震性能、库区整体布置、工程所需整体造价、材料价格及运输费用以及工程建设后的维修与运行。

2.2 坝型比较分析

通过对水库枢纽的整体地形、地貌条件的分析与论证，我们选用混凝土重力坝、空腔重力坝、浆砌石重力坝这三种重力坝进行比较分析

混凝土重力坝与其他坝型相比，整体工程工艺较为简便，在同等情况下可以更早的开展工程，大大的减少了工程所需时间。与其他坝型相比，几乎不需要胶凝材料，并且所选用的重型设备在市面上也极为常见，可大大降低并减少整体工程的造价，节省成本。

空腔重力坝与其他重力坝相比，其施工情况复杂多变，并且所需的建筑材料用量极为庞大，并且如果需要在空腹处设置水电站厂房，将对周边城区产生极大的生活干扰。

浆砌石重力坝。由于该坝型将会过多的消耗庞大的人工精力，大大增加了工期的市场，并且增加了很多人工费用，而且需要设置坝区整体的防渗装置，无形之中增加了许多工程造价。

综上所述，在本次坝型选择中依据整体安全性的原则，并参照了枢纽坝型地址概况、库区地形地貌地质条件、库区整体方案布置、抗震性能、工程造价等各种因素、决定选择混凝土重力坝为整体坝型设计该水库枢纽工程。

3 挡水坝段建筑物剖面设计

3.1 坝顶高程

根据资料显示，波浪压力主要与波高、波长、以及雍高所构成的波浪三要素和坝前水深有关。

根据规范设计，由官厅水库公式：

(1)

L=10.4(h1)0.8

(2)

(3)

h1%=1.24h5%

(4)

式中：h1是波高，m；V0是计算风速，m/s；D是吹程，km；L是波长，m；hz是波浪中心线高于静水面产生的雍高，m；h1%为累计频率为1%时的波浪高度，m；h5%为累计频率为5%时的波高，m。

坝顶高程需要比校核洪水位高，并且高于坝顶上游防浪墙的高程，也应比波浪顶高要高。如果将防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，代入式(5)计算：

Δh=h1%+hz+hc

(5)

式中：hc为安全加高，m,安全加高的数值根据表2选取。

表2 安全加高 m

防浪墙顶高程就是设计洪水位与Δhs的和，结果为64.943 m；同理防浪墙顶高程是校核洪水位与Δhj的和其结果为65.336 m。因为坝顶上游防浪墙顶高程需用上式计算并且需要选用其中的较大的数值。因此该水利枢纽的整体坝顶高程取66 m。

3.2 坝顶宽度

由历年资料来看，坝顶宽度大多数情况下都选用整体坝高的8%～10%，且不能小于2 m，故将该水利枢纽的坝顶宽度选定为6 m。

3.3 坝体实用剖面

因为重力坝的基本剖面是指该重力坝体在自重、静水压力(水位与坝顶齐平)和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面。故在已知坝体高度、整体水压力、以及抗剪强度系数和扬压力的条件下，根据整体抗滑稳定和强度的要求，即可以求得使工程量最小的三角形剖面尺寸。

因为重力坝的基本剖面需要满足整体坝基强度要求和整体坝基稳定要求，在所有情况下要满足坝体的安全运行，并且需要整体外部情况较简单，工程所需造价及人工量小，且要易于施工。

根据多种剖面设计原则后确定整体的重力坝基本剖面如图1所示。

图1 重力坝基本剖面图

3.4 坝体断面尺寸的确定

根据多年工程经验积累，在一般情况下，上游坝坡坡率常取n=0～0.2，下游坝坡坡率常取m=0.6～0.8。且坝底宽度常约为坝体高度的0.7～0.9倍，故本设计决定采用上游坝坡坡率n=0.2，做成上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.8；底宽为33.4m。

4 细部构造4.1 防浪墙

(1)为使防浪墙满足整体水库枢纽设计的安全保障及正常运行以及参观等要求，故决定取1.2 m。

(2)因为防浪墙作为抵抗大波大浪以及各种水中漂浮物，包括冬季结冰、极端天气大风等抗击，必须具有一定的坚实度及厚度，故选用混凝土为主要材料，取用0.6 m的厚度建造与整体坝区相连，以用来构成防渗透的坚实墙体。

(3)因防浪墙虽与整体坝区相连，但需与坝体部分地区设置分缝，并整体保持一致，且在分缝区为防止墙体渗漏，需设置止水装置。

4.2 坝顶构造

为实现该水库枢纽的工程效益，需在坝顶处取宽度为6 m的路面，并在路面两侧设置1 m的人行道，以供正常使用，为了安全保障，在人行道边设置围栏及路灯，并将路面整体设置成弧状，进而将雨天或特殊情况下的积水及时泄掉。并且为了维护该水库枢纽的正常运行要求，需在坝顶设置通向内部廊道的电梯井，以用来使工程人员快速进出。