2019年注册岩土工程师《基础知识》考点:电站混凝土重力坝方案

1.设计基本资料

1.1 基本概况

高鸟桥电站位于榕江县西北面、平永河上游,距榕江县城35公里,地处县内平江乡与平永镇交界。距平永镇所在地4公里,平江乡所在地15公里。坝址以上集雨面积为240Km2,多年平均年径流量为1.832亿m3,多年平均径流5.81m3/S,多年最枯日平均流量0.7m3/S.由于流域植被较好,两岸大部分都是基岩,故除短暂洪水期外,河水清澈,含泥量较少。高鸟桥电站工程设计水头为15米,拦河坝高28.77 m,工程等别为四等,拦河坝为Ⅳ级建筑物。

1.2 水文气象资料

1.2.1 水库特性

本方案电站坝址选在上轴线。按电站工程洪水计算规范,校核洪水取200年一遇,设计洪水取30年一遇进行计算。坝址下游无防洪要求,溢流坝堰顶不设闸门,故取正常蓄水位与堰顶高程一致。经计算,其特征水位及相应下泄流量。

1.2.2 气象资料

本流域位于雷公山暴雨中心边缘,系黔东南地区稳定多雨区,年平均降雨量约为1345.6㎜,多年平均径流深655㎜,年平均气温16.4℃,极端最低气温-7.6℃,极端最高气温37.5℃,年平均相对湿度80%,无霜期282天。全年气候温和,雨量充沛,属中亚热带湿润季风气候。

1.3 坝址地质条件

拟建坝址为陡立型横向河谷,岩层倾向上游,持力层岩石坚硬,强度高,基岩节理裂隙虽然比较发育,但倾角都比较大,未发现缓倾裂隙的存在,对大坝稳定影响不大;坝址下游虽然存在一小断层F4,但未发现其贯穿库区,对水库的影响不大;此外,河床比较狭窄,覆盖层较薄。根据提供的地质报告资料,坝址岩石摩擦系数f为0.5~0.65,内聚力C为0.25~0.3㎏/㎝2。不足之处是坝肩岩体卸荷裂隙比较发育,风化程度较深,开挖量较大;断层F4延伸至坝址左岸山体,若建拱坝对左坝肩的稳定可能有一定影响。

1.4 天然建筑材料

本区附近只有一处天然砂场,在弄子口寨脚河道转弯处,距工地约500米,该砂场储量较小(约1000立方米),且砂砾中含软弱颗粒及含泥较重,质量较差,建议不用。在坝址上游约100米及300米处,下游约150米处,基岩裸露,分布着厚至块状变余砂岩和中厚层粉砂质板岩,岩石坚硬,强度较高,可供开采块石及机械加工砂石料,其储量丰富,可以满足工程建筑材料的需求。建议坝址上游石场开采4000立方米左右,其余的在坝址下游石场开采。

1.5 水库淹没

重力坝溢流堰高15米,蓄水后,淹没农田1.33亩,旱地0.25亩,林地118.66亩,浸没公路涵洞、桥梁基础各一座,需加固处理;淹没区内未发现具有经济价值和开发价值的矿产及文物古迹分布,水库淹没损失较小。

2.枢纽总体布置

2.1 坝轴线选择

在坝址地形图上选两条坝轴线,即上坝轴与下坝轴进行比较。通过比较,上坝址基岩倾向上游,两岸基岩裸露,河床覆盖深在6米以内,渗漏问题不严重。根据钎探资料,河床覆盖层最厚6米,最薄0.3米,清基工程量不大。该坝址河流顺直,水流条件好,下泄水流离主河道左岸弯曲段远。综合上述地质、地形、水流等方面的条件,上坝轴线较下坝线条件优越,故采用上坝线作为本工程坝轴线。

2.2 坝型选择

根据上述所提供的地形、地质条件及水文气象资料,进行综合分析如下:

电站拟选坝址河谷呈“U”型,宽高比达3.1以上,拱的作用小,两岸山体稳定性较差,并因洪水流量大,泄洪建筑物较难布置,故放弃拱坝设计方案。电站附近,筑坝土料缺乏,同时坝址位置较窄,无法布置溢洪道,如布置溢洪道,还需对左坝肩进行大面积的开挖,有可能造成坝体稳定性差,工程量大,造价高,也是不可取的。

若采用重力坝方案。其筑坝材料可用砼和浆砌石两种材料,能使该工程充分利用现有的自然条件,且泄洪建筑物容易布置,施工导流易于解决。居于浆砌石和纯混凝土两种坝型而言,浆砌石重力坝虽然水泥用量少,投资小,但不能实现机械化施工,人工砌筑,坝体质量难以控制,工期长,是不可取的;另外,随着改革的深入,施工质量和进度都将受到合同和国家法律的约束。因此,唯有混凝土重力坝才是较理想的坝型,它能满足由于施工工艺、组织管理和机械设备使用水平的迅速提高而使工程早日完工的要求。

重力坝按坝体的结构形式,可分为实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝三种。实体重力坝的结构形式简单,设计施工方便,其问题是扬压力大,材料抗压强度不能充分发挥。空腹重力坝、宽缝重力坝则可以利用空腹和宽缝排除坝基的渗透水流,有效减少扬压力,较好地利用材料的抗压强度,可减少10%~30%的工程量,可降低工程造价,但其模板用量大,施工工艺复杂,需专业队伍进行施工。

综合上述多方面因素,实体坝虽然工程量大,但由于其体型简单、施工方便、工期短,工程可提前发挥效益,从而使工程投资可以得到补偿,混凝土实体重力坝有利条件较多,故拟定为本工程的最优坝型。

3.工程布置与坝体构造

根据规范规定,大坝工程等级为四等,主要建筑物级别为4级,次要建筑物级别5级。大坝防洪标准按30年一遇洪水设计,200年一遇洪水校核。拦水坝为实体重力坝,坝顶总长62米,最大坝高28.77m,主要由非溢流坝段、溢流坝段和两侧导流墙组成,其建筑材料均为C15混凝土浇筑。

3.1 非溢流坝结构与构造

根据前述,非溢流坝坝顶高程为356.17m,拟定坝顶宽3m,上游坝坡为垂直面;下游坝坡在高程356.17m~349.82m段为垂直面,351.42m以下坡度为1:0.6.重力坝根据工程地形地质条件,未考虑设排水沟和防渗帷幕,坝顶不设防浪墙。工程不考虑地震及冰冻作用,其抗滑稳定计算按分项系数极限状态法计算;应力分析计算采用概率极限状态设计法。经计算,稳定及应力均满足规范要求。

3.2 溢流坝结构与构造

溢流坝段位于河床中间,有利于泄洪时水流顺畅,主河槽基岩好,抗冲能力强。结合实际情况,本工程坝顶溢流采用不设闸门的坝面溢流形式,堰顶高程与正常蓄水位齐平,即堰顶高程为349.82m,堰宽40米,堰上最大水头5.39m.溢流堰上游堰头曲线采用三圆弧形曲线,堰面曲线采用幂曲线,曲线末接1:0.6的直线段,其末端则以挑角15o、曲线半径为3.8m的反弧鼻坎。溢流坝最大堰高22.42m,最大底宽16.5mm(基础),堰顶最大下泄流量为1079.9m3/s.根据鼻坎应高于下游水位1m左右的要求,确定挑流鼻坎高程为▽坎=337.4m.

4.导流墙

导流墙是溢流坝边墩的延长,其作用是分隔溢流坝和非溢流坝,通过水力计算决定出其高度和长度,最后按结构要求拟定出厚度。

本方案不考虑洪水对坝下建筑物的影响,水流壅高及超高取1.53m,鼻坎处导流墙高度为3.0m,导流墙在鼻坎处坎顶高程为340.4m.经计算,堰顶外侧边缘末高程为349.28m,导流墙高度为3.0m,根据溢流面曲线特征,则坝面导流墙高度与坝面法向高度为3米,即按坝面线平移3米得出导流墙边缘线,其下游与鼻坎处导流墙相交。据此得坝顶导流墙高程为352.52m.最终拟定导流墙顶厚0.5m,迎水坡度1:0,背水面坡度1:0.3.

结论:通过对高鸟桥电站混凝土重力坝的选型及方案比较,所确定的混凝土坝为当前应用较普遍的坝型,其稳定及应力计算是大坝设计的关键环节。通过采用分项系数极限状态法和概率极限状态法计算的大坝稳定及应力设计值均已满足规范要求。在今后的工作实践中,如何合理拟定坝体尺寸,有效确定分项系数及结构系数等基本参数将是我们值得研究和探讨的主要课题。

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