牟黄水电站硬壳坝设计.docx
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牟黄水电站硬壳坝设计
牟黄水电站硬壳坝设计
张腾飞
（铜仁地区水利电力勘测设计院，贵州铜仁554300）
【摘要】牟黄水电站位于铜仁市大坪乡地慢村境内的车坝河上，水库总库容为246×104ｍ３，属小
（1）型水库。
电站装机容量3×630kw，属小
（2）型。
通过坝型比较，结合地质、建筑材料及库区淹没情况，综合考虑推荐硬壳坝+橡胶坝方案。
该大坝是我区建坝史上第一座硬壳坝，该坝的建设填补了我区历史无硬壳坝的空白。
坝体采用砂卵石填心，坝壳为C10砼埋块石，溢流面为C20钢筋砼。
【关键词】牟黄水电站 坝型比选 结构型式应力分析 稳定分析
1.概述
2003年水利部将牟黄水电站作为全国26个“小水电代燃料”试点项目之一，以解决‘三农’问题，加强农村基础设施建设，增加农民收入，改善农民的生产生活条件。
牟黄水电站位于铜仁市大坪乡地慢村境内的车坝河上，属车坝河梯级开发的第8级，距铜仁市67km，距铜玉高等级公路42km，为河床式水电站。
牟黄水电站由铜仁市水利局和铜仁市民生公司共同开发，我院于2004年3月进行勘测设计，同年10月电站开工建设，2006年底投产运行，两年来大坝运行良好。
牟黄电站水库正常蓄水位416.80m，设计洪水位419.05m，校核洪水位420.83m，最大下泄流量2777.7m3/s，总库容为246×104ｍ３，属小
（1）型水库。
大坝为硬壳坝+橡胶坝，橡胶坝顶高程为417.0m，溢流坝段长98m，固定坝顶高程413.3m，坝底高程399.00m坝高14.3m；非溢流坝顶高程421.43m，最大坝高22.43m，大坝总长124.5m。
由于非溢流坝段不长，故采用实体重力坝。
电站多年平均流量12.77m3/s，最大水头10.47m，最小水头7m，装机容量3×630kw，保证出力396kw，年发电量764万kw·h，电站属小
（2）型，厂房为河床式。
2.坝型比选
牟黄水电站坝址处河床宽130m，河谷宽高比7：
1，呈不对称的“U”形河谷，右岸地形坡度35°～75°，左岸地形坡度20°～50°。
地层为寒武系下统杷榔组，岩性为含炭质钙质页岩、钙质页岩及含钙质粘土页岩互层产出，岩石软硬相间，以含炭质钙质页岩为主，河床砂卵石覆盖层深达6m，砂卵石储量丰富。
块石场较远，距大坝11km，运费较高。
结合地质、地形、建筑材料及库区淹没采用四种坝型作比较：
①空腹重力坝；②硬壳重力坝；③空腹重力坝+橡胶坝；④硬壳重力坝+橡胶坝。
坝型经济比较表
序号
项目名称
单位
空腹重力坝
硬壳重力坝
空腹坝+橡胶坝
硬壳坝+橡胶坝
1
淹没面积
亩
116
116
71
71
2
淹没投资估算
万元
141.97
141.97
81.23
81.23
坝体投资
万元
597.98
462.67
659.85
494.22
3
两项之和
万元
739.95
604.64
741.08
575.45
从表中可以看出，硬壳重力坝比空腹坝节省，但硬壳坝+橡胶坝比纯硬壳坝节省投资29.19万元。
从技术角度讲，各种坝型的技术均很成熟，不是问题；从运行管理方面来说，橡胶坝受天然条件的严重制约，特别是山区河流，洪水季节，碴、石顺流而下，容易划伤坝袋，运行维修费用高；从政策上讲，党中央国务院对农村问题相当重视，应尽量减少淹没耕地;从梯级开发来看，采用橡胶坝可减少对上游大塘三级电站的洪水影响，并且可减少本站的非溢流坝高度和厂房防洪墙的高度。
综合分析，推荐硬壳重力坝＋橡胶坝方案。
3.结构型式
硬壳坝全长96m，坝顶高程413.3m，坝底高程399.00m，坝高14.3m，为满足橡胶坝袋要求，故坝顶宽度为10.79m，坝底宽27m。
溢流面采用C20钢筋砼，钢筋砼厚度：
上游底部厚度0.7m，上部厚度0.4m，坝顶厚度0.8m，下游面厚0.5m。
牟黄大坝为设隔墙的硬壳坝，在硬壳坝体内设置与水流向平行的隔墙，以增加硬壳的刚度和坝的整体性，防止裂缝。
隔墙间距5m，厚1m，隔墙之间回填砂卵石。
为了充分发挥坝体材料的抗压强度大、抗拉强度小的优势，上、下游内壁均采用连拱式，拱半径2.5m。
上游外壁坝坡为1：
0.2,壁厚3.0m，下游坝坡1：
1，壁厚1.5m。
溢流面内壁为半径4.5m的园弧拱，厚1.83m。
为了减小扬压力，平衡隔墙和下游硬壳的侧向水压力，有利大坝稳定安全，在大坝坝体内隔墙及下游墙设置直径为30cm的排水孔。
结构如下图1、2。
大坝平剖图1
大坝横剖图2
4.大坝应力分析
大坝应力计算，主要是对大坝运行最不利工况进行计算分析。
水库校核洪水位420.83m，对应的下游水位为413.32m，设计洪水位419.05m，对应的下游水位412.28m，正常蓄水位416.80m，对应的下游水位406.55m。
由以上水位可知，大坝运行最不利工况为校核洪水位和正常蓄水位两种工况。
运用有限元法对包括隔墙在内单宽5m的坝段进行空间应力计算分析。
计算成果如下：
校核洪水位工况下应力图3
正常蓄水位工况下应力图4
由上面的应力图可知：
两种工况下最大拉应力为0.314Mpa，最大压应力为0.071Mpa，
按<<砌石坝设计规范>>（SL25-2006）表A.0.3，Ｃ１0砼砌块石允许压应力为13.2Mpa，表A.0.4，Ｃ１0砼砌块石允许拉应力为0.57Mpa，由此可见，应力均满足规范要求。
5.大坝稳定分析
大坝稳定计算仍采用重力坝的刚体摩擦公式，由于大坝较大面积为填料与基础的摩擦，故采用纯摩公式：
式中：
－铅直方向的合力，KN，向下为正；
－水平方向的合力，KN，指向下游为正；
K－抗滑安全系数；
f－滑移面上的摩擦系数，取0.4.
抗滑稳定计算成果表
工况
安全系数
校核洪水位
正常蓄水位
K
1.22
1.29
由表可知：
校核洪水位时安全系数K＝1.22＞1.0，正常蓄水位时安全系数K＝1.29＞1.05，满足规范要求。
6.结论
（1）牟黄水电站大坝采用硬壳坝，不但充分利用了当地现存材料，大大节省了远距离材料开采及其运输费用，而且避免了因新开料场出现环境污染及水土流失问题。
（2）由于坝顶采用橡胶坝袋，坝顶宽度应满足橡胶坝袋的要求，故坝顶较宽，在这样的条件下采用硬壳坝比采用其它实体重力坝更节省工程投资。
（3）硬壳坝与其它实体重力坝类似，具有施工渡汛较易、便于坝面溢流和长年施工等优点。
（4）牟黄电站坝址岩石以含炭质钙质页岩为主，基础承载力小、摩擦系数小，采用硬壳坝比其它实体重力坝合理。
参考文献及规范：
1、《砌石坝设计规范》SL25-2006
2、《水工设计手册》第四卷（土石坝）
3、《水工混凝土结构设计规范》SL/T 191-96
作者简介：
张腾飞（1977.12-），男，助理工程师，2001年7月毕业于贵州工业大学土木工程学院水建本科专业。
毕业至今，一直从事水利水电工程设计工作。
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