白水泉拱坝综述.docx

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白水泉拱坝综述

白水泉拱坝综述

夏候志

（上饶市水利电力勘测设计院，上饶市，334000）

摘要白水泉细石砼砌块石双心双曲拱坝，坝高42m，厚高比0.167，1999.11开工，2001.3建成并投入试运行，本文就白水泉拱坝设计和施工及试运行中的情况作一概略介绍。

1概述

1.1工程概况

白水泉水电站工程位于信江流域丰溪河支流十都港上，工程所在地行政区域属江西省广丰县管辖,是一座以发电为主，兼顾防洪、灌溉、水产养殖等综合利用的小

（一）型水利工程。

白水泉水库座落在广丰县十都乡毛岩村，位于十都港上游。

该水库为十都港梯级开发的龙头水库,下游有一级白水泉水电站、二级横坑水电站、三级银根水电站,三座电站共装机1400kw。

白水泉水利枢纽工程建筑物主要有大坝、溢洪道、发电引水系统及发电厂房等。

大坝为细石砼砌块石双心双曲拱坝，设计计算最大坝高42m，坝顶高程708m，坝顶拱中心弧长122.66m，坝顶厚度2.5m，坝底厚度7m，厚高比0.167。

溢洪道采用在坝顶坝中布置有闸控制的开敞式溢流堰型式，堰顶高程703m，溢流孔口宽度4.0m。

大坝于1999年11月动工兴建，2001年3月建成并投入试运行。

1.2自然条件

工程地处亚热带季风气候区,气候温湿,雨量充沛。

多年平均气温14.4℃，月平均最高气温29.5℃，月平均最低气温5.5℃，多年平均最大风速16m/s，多年平均降雨量1730.3㎜。

坝址以上以上属中高山区，地势陡峻，山沟切割较深。

坝址基岩为侏罗系鹅湖岭组晶屑凝灰岩和晶玻屑凝灰岩，层状构造，层理发育，层面清晰。

坝线段无大的地质断裂带，网状裂隙较发育但多见闭合状。

坝址区还见有河床砂卵石冲积层和山坡体的坡积残积粘土及砾石层，结构松散。

区域地震基本烈度为Ⅵ度。

2拱坝技施设计

2.1设计依据

1、大坝等级及设计洪水标准

白水泉电站装机500kw,水库总库容186×104m3,按照<<防洪标准>>（GB50201-94），本工程属小

（一）型，工程等别为四等，枢纽主要建筑物大坝及溢洪道建筑物级别均为4级，大坝洪水标准按30年一遇设计，200年一遇校核。

2、水库特征水位

正常蓄水位：

707m

死水位：

684m

设计洪水位：

707.27m

校核洪水位：

707.93m

3、地震烈度

基本地震烈度：

6度，可不考虑地震荷载。

4、设计基本资料

1）主要水文气象特征值见表2—1。

2）大坝建基面岩体工程地质参数建议值

（1）干容重：

2.55—2.60t/m3

（2）岩石弹性模量（E50）：

弱风化岩石（1.2—1.5）×104Mpa；微风化岩石（1.5—1.8）×104Mpa。

（3）岩石泊松比（U50）：

弱风化岩石0.22—0.25；微风化岩石0.20—0.22。

（4）断层的抗剪指标：

f=0.35—0.40；f/=0.45—0.50；c/=0.10—0.15Mpa。

（5）裂隙的抗剪指标：

f=0.50—0.55；f/=0.60—0.65；c/=0.15—0.20Mpa。

水文气象特征值表

表2—1

序号

项目名称

单位

数量

备注

一

流域面积

1

十都港全流域

km2

186.4

2

坝址以上

km2

4.95

二

坝址以上多年平均年径流量

104m3

589.7

三

代表性流量

1

坝址以上多年平均流量

m3/s

0.188

2

水库设计洪水流量

m3/s

90.4

P=3.33%

3

水库校核洪水流量

m3/s

131.5

P=0.5%

四

气象

1

多年平均气温

℃

14.4

2

多年平均最大风速

m/s

16

3

多年平均降雨量

mm

1730.3

4

多年平均蒸发量

mm

1513.5

5

多年平均无霜期

天

265

2.2拱坝布置与设计

1、拱坝布置

白水泉水库大坝为浆砌石双曲拱坝，布置在白水泉瀑布上游约500m处的狭窄河谷段，拱坝水平拱圈为双圆心等厚圆弧拱,坝顶高程为708m，设计基坑底部起拱高程为666m，设计计算最大坝高为42m，坝顶拱中心弧长122.66m，坝顶厚度2.5m，坝底厚度7m，坝顶设1.1m高防浪墙。

大坝坝顶设有1孔净宽为4m的溢洪道，溢洪道采用在坝顶坝中布置有闸控制的开敞式溢流堰型式，堰顶高程703m。

拱坝平面布置面如图2—1。

拱坝平面布置面如图2—1

2、拱坝设计

1）坝顶高程计算

根据<<浆砌石坝设计规范>>（SL25-91），坝顶高程不得低于水库最高静水位；防浪墙顶高程不得低于下列情况的高值者：

（1）防浪墙顶高程=设计洪水位+超高

（2）防浪墙顶高程=校核洪水位+超高

超高按下式进行计算：

△h=2hl+h0+hc;

式中：

△h----超高；

2hl-----波浪高；

h0-----风雍高度；

hc-----安全超高，设计工况为0.4m，校核工况为0.3m；

计算得设计工况的波浪高为0.88m，校核工况的波浪高为0.53m；设计工况的风雍高度为0.26m，校核工况的风雍高度为0.15m；设计工况的防浪墙顶超高为1.54m，校核工况的防浪墙顶超高为0.98m；相应设计的坝顶高程不得低于707.93m，防浪墙顶高程不得低于708.91m。

现设计的坝顶高程为708m，防浪墙顶高程为709.1m，满足规范要求。

2）大坝体型设计

白水泉大坝经过技施设计中进一步优化，确定大坝体型方程如下：

（1）坝体厚度方程：

T=2.5+0.02420594×Z+0.00706706×Z2-0.000121247×Z3

（2）拱冠梁各层拱中心曲线方程：

Y=0.31297×Z-0.00949162×Z2+0.000060718×Z3

（3）左拱各层中心半径方程：

Rl=68.4-1.394283×Z+0.01645868×Z2-0.0002661761×Z3

（4）右拱各层中心半径方程：

Rr=60.4-0.858255×Z+0.0005577504×Z2-0.0000949894×Z3

3）坝体应力分析

技施设计中，设计人员采用中国水利科学研究院的ADASO程序对白水泉拱坝的应力进行计算。

根据<<浆砌石坝设计规范>>（SL25-91），确定白水泉拱坝应力计算的荷载组合为：

（1）基本荷载组合：

正常蓄水位+泥砂压力+自重+温降

（2）特殊荷载组合：

校核洪水位+泥砂压力+自重+温升

根据<<浆砌石坝设计规范>>（SL25-91）和本工程的具体情况及类比同类工程，在应力计算中坝体的容重取为2.25t/m3，坝体弹模取为0.9×104Mpa，坝体泊淞比取值为0.2，坝基弹模取为（1.2～1.4）×104Mpa，坝基泊淞比取值为0.22—0.25，封拱温度取为13℃。

淤沙高程为678.5米，淤沙浮容重为1.2t/m3，淤沙内摩擦角为20°。

多年平均气温取为14.4℃，温降工况气温年变幅加日照影响为11.8℃，温升工况气温年变幅加日照影响为12.1℃，水库表面平均水温为16.9℃，水库表面水温年变幅为10.6℃。

坝体线胀系数为8×10-6/℃，导温系数为3.5m2/月。

计算得拱坝的应力成果见表2—2。

由计算成果可知大坝基本荷载组合工况最大主拉应力为1.02Mpa，最大主压应力为2.84Mpa，最大径向位移为16.26mm；特殊荷载组合工况的大坝最大主拉应力为0.58Mpa，最大主压应力为2.36Mpa，最大径向位移为7.67mm。

而设计采用的坝体砌体为C10（局部为C15）细石砼浆砌块石，块石石料标号要求大于600号，据此查<<浆砌石坝设计规范>>（SL25-91）中表5.2.5-1及表5.2.5-2可知，该砌体基本荷载组合容许压应力为5.30Mpa,特殊荷载组合容许压应力为6.20Mpa，该拱坝控制计算拉应力指标中央悬壁梁底为小于1.2Mpa，其它部位为小于1.0Mpa。

由此可知白水泉拱坝应力计算成果满足规范要求，从设计上来讲是安全的。

白水泉拱坝应力计算成果表

表2—2

荷载组合

基本荷载组合

特殊荷载组合

上游面

最大主压应力（Mpa）

1.80

1.52

最大主压应力发生位置

拱冠梁691m高程

拱冠梁691m高程

最大主拉应力（Mpa）

-1.02

-0.58

最大主拉应力发生位置

拱冠梁底

右拱端336高程

下游面

最大主压应力（Mpa）

2.84

2.36

最大主压应力发生位置

拱冠梁底

左拱端685m高程

最大主拉应力（Mpa）

-0.55

-0.46

最大主拉应力发生位置

左拱端666m高程

右拱端703m高程

径向最大位移（㎜）

16.26

7.67

径向最大位移发生位置

拱冠梁703m高程

拱冠梁691m高程

4）拱坝坝肩稳定计算

大坝的拱冠径向为NW57°。

大坝建基面岩体为侏罗系鹅湖岭组晶屑凝灰岩和晶玻屑凝灰岩，岩性致密坚硬。

微风化岩石单轴饱和抗压强度97—207.2MPa，软化系数0.72——0.96，岩石物理力学性能良好。

680米高程以下岩体呈微风化，680—690米高程岩体呈弱风化下部，右坝肩690—710米高程及左坝肩690—705米高程岩体呈弱风化上部，左坝肩705米高程以上呈强风化。

坝基工程地质编录表明，大坝建基面岩体发育9条小断层，其中右坝肩690—705米高程见有f1、f1/、f5、f6、f7、f8六条小断层，左坝肩665—680米高程见有f2、f3、f4三条小断层。

这9条小断层，其带宽5—10cm，主要由片状岩、糜棱岩组成，断层面较光平、扭曲，有Fe、Mn质浸染，断层延伸一般长5—15M。

它们的产状走向大多延伸到山体内部，倾向山体，因此，坝肩稳定计算未考虑断层形成的滑移体。

大坝建基面岩石裂隙发育，主要为中、陡倾角裂隙，裂隙相互切割呈#字状，第一组裂隙产状NE20—500/SE，NW∠45—850；第二组裂隙产状NW40—700/NE，SW∠31—850，裂隙面较光平，多呈闭合状，见有Fe、Mn质浸染及风化膜，延伸长短不一。

左坝肩缓倾角裂隙较发育，主要的缓倾角裂隙产状为NW20—300/SW∠10—200，河床及右坝肩偶见缓倾角裂隙，其产状主要为NE15—400/SE∠17—230。

左坝肩668——670米高程附近存在裂隙密集带。

考虑到岩体裂隙在空间分布的广泛性，为安全起见，假定一系列倾角为90度的侧向滑移面和水平的底部滑移面组合切割进行坝肩稳定计算，滑移体承受的外力有拱端推力、自重、坝段重量、水压力、侧向和底部切割面的摩擦力和粘聚力。

计算中采用的横向切割面承受的水压力为全水头，而侧向、底部的切割面承受的水压力考虑帷幕、排水的作用而按全水头乘0.6的折减系数计，计算成果见表2—3。

坝肩稳定计算成果表

表2—3

坝肩

工况

侧向结构面走向

抗剪断安全系数K

备注

左

基本荷载组合

NW57°

3.13

NW45°

2.67

NW33°

4.08

NW20°

4.15

特殊荷载组合

NW57°

3.10

NW45°

4.25

NW33°

4.63

NW20°

5.76

右

基本荷载组合

NW57°

2.35

等高线人为切断

NW81°

3.37

NW88°

3.66

NE57°

9.70

特殊荷载组合

NW57°

2.32

等高线人为切断

NW81°

3.74

NW88°

5.00

NE57°

15.0

由计算成果可见，左右两坝肩安全系数均较大，因此白水泉大坝坝肩是稳定的。

5）坝体分区的材料设计

白水泉大坝为浆砌石双曲拱坝，上、下游坝面均为水泥砂浆砌砼预制块，在上游坝面预制块后设砼防渗心墙，底部为砼垫层，中间为细石砼砌块石。

拱坝剖面结构如图2—2。

大坝各部分使用的主要材料叙述如下：

（1）砼防渗心墙的砼标号为C15，抗渗标号为S4,其厚度依照<<浆砌石坝设计规范>>（SL25-91）按运用时的承压最大水头的1/30～1/60选定，坝顶厚为0.3m，坝底厚为1.0m。

（2）大坝上、下游坝面均为M10水泥砂浆砌C15砼预制块，水平厚度为0.6m。

（3）砼垫层标号为C15，垂直厚度为1.0m。

（4）坝体中部为细石砼砌块石，细石砼标号为C10（溢流堰处局部为C15），其中石料标号设计要求不小于600号。

6）大坝基础开挖和基础处理设计

（1）大坝基础开挖：

设计中大坝基础开挖深度是根据现状开挖情况及大坝布置要求而确定的，由于前期地勘精度不足，设计强调坝基开挖到位后须经地质、设计、建设单位到场验收合格后方可进行后续施工。

（2）大坝基础处理：

大坝底部设置了C15砼垫层，垫层在坝体上、下游延伸1.0m,砼垫层厚度为1.0m。

在坝基范围内布置有固结灌浆，固结灌浆钻孔在垫层上进行，在平面上大致按梅花型布置，孔距左坝肩2.5m,右坝肩及河床3m，孔深5m，孔径φ38。

采用风钻造孔，要求在坝基垫层浇筑后达到50%设计强度方可开钻，造孔后均应进行孔壁冲洗，直至回水清净时止，冲洗压力采用0.3Mpa。

拱坝剖面结构如图2—2

大坝上游设置有防渗帷幕，帷幕灌浆孔采用单排，孔距3m，分三序进行造孔，孔径φ110，为垂直孔，孔中心离大坝上游坝基距离为1.1m，在两岸坝肩沿轴线方向延伸，直至相对不透水层高程高于正常蓄水位707m以上为止。

第一序孔均作为先导孔，且所有各孔均要求深入相对不透水层（ω=0.03l/min·m·m）线以下3m。

造孔后应进行孔壁冲洗，压力取各孔段灌浆压力的80%。

由于本工程缺乏坝轴线处的水文地质资料，设计中强调帷幕灌浆孔排数、孔距、孔深、灌浆压力、浆液比，均需根据先导孔探明的水文地质情况，由地质设计人员及水工设计人员共同研究最终确定。

7）大坝分缝设计

根据白水泉拱坝的特点及实际施工进度，坝体在高程690m以下不设缝，采用通仓浇筑，在坝体690m以上坝体设置4条横缝，横缝形式为宽缝，缝距20m，缝宽1m。

坝体宽缝回填时间选择在年内最低气温的月份进行，封拱预留槽要求凿毛，冲洗干净后再灌入C15砼。

8）溢洪道设计

白水泉水库的泄洪方式为坝顶表孔挑流泄洪。

溢洪道布置在坝体中部河床段，分为1孔，净宽4m，堰顶高程为703m。

溢洪道进口边墩采用园弧线，园弧半径为0.6m；溢流堰进口上游采用两段园弧相接而成，该两段园弧的半径分别取为0.74m和1.85m。

下游段的溢流堰堰面曲线为WES曲线,曲线方程为：

y=0.1644366x1.85,后接挑流反弧段,反弧半径为5m,鼻坎挑射角为12°。

溢洪道采用露顶式平面钢闸门控制，闸门的正常挡水深为4m，采用卷扬式启闭机启闭，启闭机的工作平台位于713.5m高程的工作桥上。

3拱坝施工及试运行

拱坝从开挖、砌筑到建成从1999年11月至2001年3月历时为两年半，其中2000年4月大坝施工到24m坝高690m高程时开始蓄水受益。

白水泉拱坝为细石砼砌块石坝，砂石材料采用就近开采，现场加工，施工为人工抬运块石，安砌，采用机械拌浆及振捣，对于坝顶溢洪道下游达4.4m的悬挑，采用小块L形钢筋砼预制模板靠自身重量维持稳定逐块人工叠加而顺利完成。

从运行情况看，大坝已通过了两次溢洪道溢流，第一次为2002年6月9日，最高蓄水位达到703.21，从目测观察，大坝两坝肩未发现异常，大坝渗水量较小，通过经纬仪观测，大坝变形不大，都在允许范围以内。

第二次洪道溢流为2003年5月11日，最高蓄水位达到703.65m，对坝肩、坝身进行观测也没发现其他新的变化，用三角堰测算渗水量与上年同期一样，也没有增加，但坝顶距离两坝端各20m处各有一条很细裂缝，根据现场分析认为是上一年下半年水位较低，由于气温变化砼收缩过大而造成的，随后对两条裂缝在坝上游面凿开填塞环氧砂浆及加土工膜处理，大坝运行至今情况良好。

4结语

在地形地质条件许可，充分考虑利用当地材料及施工条件，对小型水利工程大坝设计采用浆砌石薄拱坝坝型是可行的。