老龙口水利枢纽工程拦河坝溢洪道开挖渣石利用料复核

老龙口水利枢纽工程拦河坝溢洪道开挖渣石利用料复核

1工程概况及设计元龙口邮政站位于吉林省珲春市马尖达市的老龙口村，距鹿春市约30公里。这是图达河的一条不完全调整的水库。该工程控制流域面积3008km2,是一座以防洪、供水为主,结合灌溉,兼顾发电等综合利用的Ⅱ等工程,水库总库容为3.674×108m3,电站装机容量为19.2MW,年发电量为5199.1×104kW·h。该工程主要建筑物为拦河土石坝、溢洪道、鱼道、引水发电洞及电站厂房。其中土坝为2级建筑物,按100年一遇洪水设计,2000年一遇洪水校核。根据现场坝体土料碾压实验和补充实验成果资料,对老龙口水利枢纽大坝进行优化设计。2坝体坝局部结构、表部缺失结构老龙口坝址处河谷呈不对称“U”字型谷,河谷的两侧为低山,左岸发育有低河漫滩、高河漫滩、一级阶地、二级基座阶地。右岸发育有高河漫滩和低山。河床中断续分布有人工地貌。坝基表部的砂壤土、中砂和壤土层分布不连续,厚度不均一,松散,强度较低。下部卵砾石层分布广,厚度稳定。坝基岩性为角砾凝灰岩和花岗闪长岩,由于密江～马滴达东西向构造带在坝址区附近通过,受其影响,坝址区节理裂隙较发育。3水库优化设计3.1心墙使用材料场拦河坝为粘土心墙土石坝,最大坝高44.50m,坝顶高程120.50m,坝顶宽6.0m。初设阶段大坝上游坝坡马道以上为1︰2.50,马道以下为1︰2.75。下游坝坡马道以上为1︰2.25,马道以下为1︰2.50。粘土心墙顶宽为3.0m,心墙两侧边坡为1︰0.3,上游侧设厚为2.0m的过渡层,下游侧设厚2.5m的过渡层。心墙底部设粘土截水槽,截水槽底宽为12.0m。坝体心墙填筑选用A2粘土料场,A2料场位于大坝上游珲春河右岸二级基座阶地,距离坝址2.5～2.9km,料场实验指标满足规范要求;坝体反滤料、过渡料选用B1料场,B1料场位于坝下游,距离坝址0.7～1.9km;坝壳填筑料选用C1料场和溢洪道开挖的弱风化岩石弃碴料,C1料场位于坝上游珲春河床上,距坝址3.55～6.65km,料场岩性为砂砾卵石,为金矿采金弃料。3.2坝体结构及坝体设计工程开工后设计对溢洪道开挖的渣石料进行现场碾压实验和大型剪切试验,溢洪道开挖渣石料颗粒级配良好,按设计控制干密度进行不饱、不固、快剪的内摩擦角为32.4°。并对坝壳料(C1料场)的强度指标进行复核,复核后稳定渗流期和水位降落期的内摩擦角比复核前提高4°,施工期内摩擦角比复核前提高1°(复核前后强度指标见表1),根据复核后砂砾料强度指标和溢洪道利用料强度指标,对大坝结构进行坝坡稳定、坝体和坝基渗稳、坝体变形及应力计算。将上游坝坡马道以上由1︰2.5优化为1︰2.25,马道以下由1︰2.75优化为1︰2.5。下游坝坡马道以上由1︰2.25优化为1︰2.0,马道以下由1︰2.5优化为1︰2.25。为协调溢洪道土石方开挖与土坝填筑施工工期,对溢洪道利用料起始填筑高程由初设的98m高程降低到88.65m高程。根据现场开挖渣石料易风化的特点,将溢洪道利用料包裹于坝体内,即高程88.65～113.5m、心墙下游反滤过渡层与距下游坝坡3.5m范围填筑溢洪道利用料。设计取消心墙截水槽,将粘土心墙直接坐落在强风化岩面,心墙和基岩间设14m宽、厚0.8m混凝土盖板,盖板上、下游心墙基础岩面喷5cm厚混凝土,混凝土强度等级C20。将粘土心墙上下游坡度由1︰0.3优化为1︰0.25,根据料场颗粒级配,经反滤计算,心墙上游设两层反滤层,水平宽度均为1.0m;心墙下游设水平宽度2.5m的反滤层,反滤层后设过渡层,过渡层顶部水平宽2.5m,下游侧按1︰0.3边坡逐渐加宽。优化后坝体主要节省工程量为:粘土心墙填筑量6.93万m3,坝壳填筑量21.53万m3。主要增加反滤过渡料4.85万m3。总共节省投资216.58万元。4水库结构的优化计算和分析4.1坝体稳定分析采用《土石坝边坡稳定分析程序》对大坝最大断面和左岸二级阶地断面进行线性坝坡稳定分析,计算方法采用瑞典圆弧法和毕肖普法,粘土料和反滤料强度指标采用原设计值,坝壳料采用复核后强度指标,计算得出的最小安全系数均大于允许安全系数,坝体是稳定安全的。4.2坝体及坝基材料的泄漏量对坝体和坝基渗漏量及渗透稳定分别采用公式解析法和平面二维有限元数值分析法进行计算,得出了以下主要成果:坝体及坝基的年渗漏量为1.53×106m3,占水库多年平均年径流量10.53×108m3的0.145%。心墙的最大渗透比降为3.31,心墙与混凝土盖板的最大接触比降为1.83,混凝土盖板与帷幕的最大接触比降为0.84,坝体下游的渗透比降为0.08,均小于其允许值,所以坝体的渗透稳定是安全的。4.3坝体应力应变结果对大坝采用三维有限元计算,材料本构关系采用Duncan-ChangE-B模型,计算中不考虑坝体的流变。计算参数见表2所示。经过三维非线性有限元分析计算,整理分析得到典型分析断面坝0+278、坝0+260、坝0+214以及坝轴线断面的竣工期、正常水位109.00m下的坝体和心墙的应力和变形成果为:(1)顺河向水平位移:竣工期大坝向上游的水平位移最大值在1/4坝高靠近心墙上游坡面处,最大值是-0.0342m;向下游的水平位移最大值是0.0407m,与上游侧沿坝轴线对称,在靠近心墙下游坡处。设计水位上下游的水平位移不再对称于坝轴线,整个大坝1/2坝高以上部分水平位移均指向下游。(2)横河向(即沿坝轴线方向)水平位移:竣工后最大的横河向水平位移为0.0460m,最小的横河向水平位移为-0.0612m,出现在坝0+278断面。对于蓄水后,最大、最小的横河向水平位移仍位于坝0+278断面,越靠近左坝肩,沿横河向的位移越小,并且在蓄水之后,受水压作用,坝基处的位移只有2～7mm左右。(3)垂直位移:竣工期垂直位移极值位于1/2坝高处的中轴线上,极小值出现在河床坝段,为-0.3361m。大坝设计水位情况下的垂直位移的极小值为-0.5127m,稍稍偏向上游。小主应力等值线图在心墙位置向下凹陷。这反应了心墙的拱效应,心墙自重产生的荷载被周围的坝壳所分担,因此在同样的高程,心墙第一主应力比相邻的坝壳要低,计算结果表明低40%左右。一般认为心墙的应力低于坝壳的一半以上可能会导致裂缝产生。(4)最小主应力:不考虑流变的情况下,竣工期坝体最小主应力(压应力)的极小值为-976.8kPa,设计水位时极小值为-984.3kPa。(5)最大主应力:竣工期最大主应力出现拉应力,极值为162kPa。拉应力区沿心墙两侧,顺上下游坝坡向下延伸,在靠近坝脚处拉应力消失。心墙区没有出现拉应力,和