白沙面板堆石坝剖面优化设计.docx

1、文章编号：1671-3354(2009)05-0048-04白沙面板堆石坝剖面优化设计王汝军I,高红民2(1.武汉大学设计研究总院，湖北武汉430072；2.湖北省水利厅白蚁防治中心，湖北武汉430070)摘要：。1沙面板堆石坝设计,采用三种不同的岩石填料，通过K-B二维选优和三维印证，使溢洪道开挖料得到充分利用，比采用纯硬岩料填筑大坝堆石体，节约投资约1020万元。关键词：白沙水电站;面板堆石坝;剖面优化;开挖料中图分类号:TV614.4文献标志码:AOptimaldesignoncrosssectionofBaishaCFRDWANGRujun,GAOHongmin(1.Design&am

2、p;ResearchInstitute,WuhanUniversity,Wuhan430072,China；2.TermiteControlCenter,HubeiWaterResourcesDepartment,Wuhan430070,China)Abstract：ThreekindsofsoftrockwithdifferentpropertiesarecomparedbyE-B2-Doptimizationand3-Dverification,andarechosentobethebuildingmaterialsofBaishaCFRD.Hence,theexcavatedmateri

3、alsfromthespillwaynearthedamcouldbeusedinsteadofhardrockmaterials,andthedamconstructionexpensescouldbecutdownabout10.2x10°yuan.Keywords:BaishaHydropowerStation；CFRD；cross-sectionoptimization;excavatedmaterial2坝体断面优化设计白沙河水电站工程位于竹溪县兵营乡，堵河右岸二级支流泉河上，为泉河流域的第5个梯级。挡水建筑物为混凝上面板堆石坝，坝高105.60m,总库容2.478亿择，正

4、常蓄水位445m,电站装机45MW,多年平均发电*1.26亿kWh。大坝设计标准为100年-遇洪水设计,2000年一遇淇水校核;坝址处于7。地震区，按8。设防。白沙河水电站工程由面板堆石坝及大坝右岸坝头用2孔12.0rnxl2.5m岸坡式溢洪道、右岸引水坝后地面厂房、装机2x22.5MW、室外变电系统等组成。坝址地处高山峡谷，两岸地形陡峻、尤其是右岸山体雄厚，悬崖峭壁，山顶至河床高差达360m,左岸略为开阔，坝轴线以前河谷在正常蓄水位宽230m左右,河流呈型。溢洪道开挖料用于大坝填筑料为板岩，成份以绢云母为主，岩体的单轴饱和抗压强度为17MPa,弹性模房为19GPa。硬岩材料在2.5km夕卜。

5、收稿日期：2009-03-31作者简介：王汝军，男，工程师,从率水电工程设计。坝址处河谷较窄,狭谷出口后地势开阔，大坝布置上游受控于腊冬沟及深厚的风化带，F游受制于楠柴沟。左岸为顺向谷，右岸为逆向坡，但受区域断裂影响，顺向坡崩堆积发育，河床堆积漂砾及松散堆积。坝轴线须在楠柴沟上游附近选择，大坝下游坡脚须距离楠柴沟出口一定距离，同时坝线宜尽可能地茶近楠柴沟，以缩短引水隧洞长度，旦不影响溢洪道及导流洞出口布置。混凝土面板堆石坝，坝顶长230.0m,坝顶宽8.0m。坝顶高程449.60m,坝顶防浪墙顶高程450.80m,最大坝底宽306.02m,E游坝坡1:1.35,下游综合坝坡为1：1.49。2.

6、1坝体断面优化的原则面板堆石坝为当地材料坝，坝料的开采、运输费约占大坝投资的60%-75%?因此提高料场开挖料及建筑物升挖料利用率，是节约工程投资的主要途径。坝体主堆石区作为支承面板的主体，一般需采用较好的硬岩堆石，软岩的利用-般放在坝体下游的次堆石区（3C区）。随岩筑坝技术的进步，目前软岩堆石料的填筑范围正在逐步扩大。软岩堆石料利用原则是：保证软岩料区的下边界线在大坝运行时处于干燥区，以便坝体排水畅通,并避免软岩遇水产生湿化变形等；上边界线应保证其上有不小于510m的新鲜硬岩填筑层覆盖;下游边界线应保证坝体下游边坡的稳定,且在其外侧留有不小于2m新鲜硬岩填筑区，以防止软岩料的继续风化，上游边

7、界线则应通过计算分析，在保证坝体施工期、运行期的沉降量以及面板的应力在合理范围内的前提下，尽鼠往坝体上游侧靠近，以期能够最大限度地利用软岩材料。2.2坝体断面优化方法坝体断面分区的优化一般采用应力变形分析结合坝坡稳定分析的方法进行，坝体应力变形分析通常采用北线性有限元法计算。计算分析时,一般先对儿种富商水位44500不同坝料的分区方案进行二维应力变形有限元计算,在分析计算结果优选一种方案的基础上，再进行三维有限元计算，以进一步对所选方案进行分析研究。2.3坝体断面优化结论与选择采用三种剖面方案进行筛选计算:第1种为全玲岩剖面，上游面采用新鲜玲岩,下游面采用风化为岩（图1）；第2种为软岩削面,除

8、垫层、过渡层外,70%的料采用板岩料（图2）；第3种为坝轴线前为硬岩（玲岩），坝轴线后，最高洪水线以上为46.6%板岩料（图3）。2.4计算模型堆石坝料采用邓肯E-B模型，混凝上面板采用线弹性模型，混凝土面板与垫层料之间，以及周边缝部位，采用软单元模拟,软单元采用线弹性模型，当受压时弹模取混凝土的受压模鱼，认为两种材料之间不能嵌入，当单元受拉时取受压模量的1/100,认为单元不能承受拉力;泊松比"取0.3。449.60：0(新衅H3B层料宛300(2A)385.20普誓蜓密5%、普黑）【8Z6Z,0S6S8-+0-SOTTOg.moo+o.000+0图1全硬岩堆石横剖面（上游坝坡1：

9、1.35,下游综合坝坡1:1.399）（单位:m）图2全软岩堆石横剖面（上游坝坡】：1.35,下游综合坝坡1:】.49）（单位:m）2.5堆石坝料计算参数通过大型三轴压缩试骚，得到堆石坝料的强度参数和邓肯E-B模型参数（见表1）。2.6典型设计剖面二维计算成果三种剖面方案的二维有限元计算成果见表2。其中，硬岩剖面方案中，岩质较硬，坝体变形很小,蓄水后800700.0过渡料宽300cm（3A）竺干村1埃石护埔（P）反滥对渝古C20钢筋混爆七面板厚f=3O+O.OO3H*”361.96361.80'(/>:005%)I(P=l%)447.38.,n仁°°5地群大“

10、05.20投料宽300cm(2A主地石区（丹岩）3B下游地石区（新锌板岩）3C,V365.20图3部分软岩堆石横剖面（上游坝坡LI.35,下游综合坝坡IJ.49）（单位:m）表1白沙水电站筑坝堆石料三轴试验邓肯E-B模型参数编号坝料干密度yd/（g*cm-)O0A0KnIm1上址盼岩）2.1554.511.010000.7100.916650.00.15002砂砾石槌盖层2.2552.410.09000.6700.907600.00.20003次堆石11102（切岩）2.1051.410.26300.4800.946330.00.11004次堆石HICK板岩）2.0644.78.7572_0.

11、0070.820118.50.0156表2典型设计剖面二维计算结果计算结果方案一硬岩削而方案二70%软岩剖面方案三46.6%软岩剖面坝体最大沉降/cm38.74143.4288.84竣坝体最大水平位移/cm-12.7115.49-22.6952.08-9.6126.19r期坝体最大大主应力/MPa1.781.582.29坝体最大小主应力/MPa0.720.630.63坝体最大沉降/cm40.79158.1992.91坝体最大水平位移/cm-7.8819.92-7.2172.16-3.6036.65坝体最大增枇沉降/cm8.3733.1311.14蓄坝体最大增量水平位移/cm8.7532.661

12、5.63水期垫层料坡面最大法向位移/cm14.978.133.8面板最大法向位移/cm11.845.116.4坝体最大大主应力/MPa1.961.742.67坝体最大小主应力/MPa0.770.660.70坝体最大沉降为41cm,约为坝高的0.39%。水库蓄水产生的坝体增bt变形也很小，匕游坝面上沿水平和竖直方向的增量变形均在89cm左右。水库襦水后上游垫层料坡面处最大法向位移在14.9cm。面板的法向变形预计在11.8cm。70%的料采用板岩料的软岩剖面方案中，由于占据坝体大部分体积的为岩质较软的板岩，坝体蓄水后最大沉降达到158cm,约为坝高的1.5%。与硬岩剖面相比，为硬岩剖面最大沉降的

13、3.88倍，相差悬殊。水库蓄水后上游垫层料坡面的最大法向位移达到78.1cm,面板的法向变形也预计达到45.1cm。水库苗水过程在水荷载的作用F,产生较大的变形,对面板及其接缝止水的可靠性不利。46.6%采用板岩料剖面的计算结果表明,坝体变形介于硬岩剖面和软岩剖血之间，蓄水至正常蓄水位时，坝体最大沉降约为93cm,约为坝高的0.88%。下游堆石区的水平位移大于上游堆石区，最大水平位移位于次堆石区，达到36.65cm,水库蓄水过程在上游坝坡处产生的两方向的最大位移增量达到了11.1415.63cm。水库蓄水后上游垫层料坡面的最大法向位移达到面板的法向变形预计在16.4cm。方案三在充分利用软岩筑

14、坝的原则下，较好地解决了上游坝面的变形控制问题,能够为混凝土面板提供-个相对较好的支撑条件，可以采用C2.7大坝三维计算成果2.7.1计算网格三维计算剖面采用46.6%采用板岩料剖面(见图3),几何模型自左坝头0-110断面至右坝头0+120断面，共划分了12个断面，三维计算模型有33548个单元,7912个节点。加载过程为简单加载，即坝体全断面填筑至坝顶,然后浇筑面板，水库蓄水至正常蓄水位445m高程。2.7.2计算结果坝体三维计算结果见表3。表3坝体三维计算结果cm计算工况计算项目计算成果竣工期坝体最大沉降86.89坝体最大水平位移-6.9517.67坝体最大沉降88.25蓄水期坝体最大水

15、平位移-1.7230.90面板最大顺河向位移36.75面板最大沉降34.48最大横制面在坝体竣工时的沉降约86.89cm,蓄水至正常蓄水位445m高程时，沉降约88.25cm,最大水平位移为30.9cm,比二维有限元计算结果偏小；面板的顺河向位移为36.25cm,最大沉降量为34.48cm左右，比二维有限元计算结果偏大。3结论根据本工程的特点,对大坝剖面全硬岩、70%的料采用板岩料J6.6%的料采用板岩料三种剖面方案进行了优化计算。对选定的第3剖面方案还进行三维有限元静、动力分析,并对主断面进行了二维有限元铮、动力分析,评价了坝体在正常蓄水位和8度地震的安全性(详情另文论述)。分析结论如下：(

16、1) 三维有限无动力分析的结果表明，坝体三个方向的加速度放大倍数以水平顺河向的值4最大。由于面板的约束作用，上游坡的1略低于下游坡的值。在坝基与坝体中，对于土石坝动力破坏起主要作用的动乾应力了机多处于0.1MPa的量级，对于碾压密实、抗乾强度很高的堆石来说，属于较低的水平。(2) 采用瑞典圆孤法对面板坝的下游坝坡进行了滑抓计算，得出的滑坡安全系数为1.08,满足水工建筑物抗震设计规范的规定。(3) 面板在正常蓄水位和8。地震共同作用下，由C20混凝土浇筑的面板是安全的。从坝体加速度放大倍数、面板顺坡向动应力的分布看，坝体对地震作用的放大效应是比较明显的。(4) 在对上述三种剖面分别进行计算筛选后，由于地形限制了大坝剖面坡度的放缓.限制了软岩料的加大使用。最终确定了软岩放在坝轴线以后，下游校核洪水位以上的剖面，其中板岩堆石料约H5.90万全部利用开挖料，占坝体填筑总量248.73万K的46.6%o采用替代法可节省工程投资约1020万元。(上接第40页)经计算，各种方案对比如表3。表3多种加固方法经济对比加固方案涵管加固投资/元工期/d说明原管拆除