拱坝设计中的问题分析

摘要：本文结合作者多年工作经验，对拱坝设计中应注意的问题进行了分析，以供同仁参考。

关键词：拱坝设计；体形设计；坝基处理

1 工程概况

某水电站工程以发电为主，兼有灌溉、防洪、旅游等综合效益。枢纽建筑物由拦河大坝、坝顶溢洪道、放空底孔、引水隧洞、进水口和发电厂房等组成，拦河大坝为混凝土拱坝，坝底高程148m，坝顶高程232．3m，坝高84.2m，正常蓄水位230m。

2 拱坝设计中应注意的几个问题

2．1拱坝布置与坝肩开挖

该工程上游的东西坑两水汇合后的峡谷只有1.5km长，峡谷两岸山顶高程由300m急剧下降至120m，对应于建造正常蓄水位230m 的大坝来说，可供布置坝轴线的范围只有峡谷上游500m，而在这段峡谷的中部两岸均有深切的冲沟。为免受冲沟影响，拱坝坝轴线只能布置在冲沟的上游(上坝轴线)或下游(下坝轴线)。上坝轴线两岸地形对称，可布置拱坝的区域较大，从地形上看十分理想，但地质勘探结果表明上坝轴线受横切区域性大断层F6的影响，两岸岩石风化层较深，拱坝工程量明显偏大，从经济上考虑不优越；下坝轴线右岸为一突出的小山包，由于小山包下游峡谷明显变宽，要使工程在经济上可行，就必须利用这个小山包作为拱座，从坝肩稳定角度考虑，由于小山包较单薄，右坝肩要尽量往上游靠，但靠近冲沟又会遇到卸荷岩体，这就造成可布置拱坝的区域较小，同时由于地形不对称，对拱坝的布置造成了极大的困难。

下坝轴线地质勘探结果表明左岸岩石风化深度浅，右岸岩石风化深度深，为了减少拱圈的不对称程度，在满足坝基设计要求的前提下应尽量浅挖右坝肩。左岸拱端下游处平均嵌深约8m(5～12m)，右岸拱端下游处平均嵌深20m(15～26m)，大部分坝基置于微风化岩体上，少部分利用弱风化岩体。由于左岸山坡陡峭，如按拱端实施全径向开挖，则开挖方量很大，为了尽量减小开挖量，全部采用半径向开挖。右岸拱端布置在小山包的凸部，其上游靠近冲沟，大大减少了工程开挖量。由于右岸小山包山顶高程低于峡谷顶部，右坝肩高程218m 以上岩体属全风化岩体，不能作为坝基，将其开挖成一混凝土置换槽，做成人工地基。

2．2 拱坝体形优化设计

尽管坝址处河谷不对称，但由于河谷宽高比仅为1．5，仍是优良的建造拱坝地形，可设计成双曲薄拱坝。在水平拱圈设计上，坝体厚度设计成由拱冠向拱端逐渐加大，厚度变化指数取值为2.5。拱坝坝体应力对拱坝的封拱温度非常敏感，封拱温度取值越低，坝体应力相应越低，但过低的封拱温度不仅会造成制冷费用相应增加，还可能影响工期，应根据坝体准稳定温度场并适当超冷封拱来确定，拱坝的封拱温度见表1。

表1拱坝封拱温度

拱圈高程（m） 232 218 203 188 173 158 150

封拱温度（°） 20 18 17 16 15.5 15.5 15.5

由于拱坝坝址地形不对称，拱冠梁位置的确定对拱坝体形设计有至关重要的影响，在进行设计时将拱冠梁位置尽量靠近右岸，以尽可能缩小拱坝的不对称性。初步设计阶段时拱坝选用对数螺线拱坝，坝体体积为22.5万m3。施工图设计阶段，通过使用中国水科院拱坝体形优化设计系统ADASO，对单心圆、双心圆、三心圆、对数螺旋线、抛物线、椭圆和二次曲线等拱圈线型进行拱圈线型优选，确定拱坝最优拱圈线型是椭圆，坝体体积为20.5万m3，节省了2万m3。混凝土。

2．3 基础处理

拱坝坝基在天然状态下，坝肩有三个部位的抗滑稳定安全系数不能满足规范要求：部位一是左坝肩高程160～180m范围，由于受高倾角侧滑面f4断层和缓倾角底滑面J3层间错动夹层组合作用，存在局部稳定问题；部位二是左坝肩高程198～218m范围，由于受高倾角侧滑面大裂隙 和缓倾角底滑面挤压夹层组合作用，存在局部稳定问题；部位三是右坝肩高程203―209m范围，由于受到高倾角侧滑面F16断层面和缓倾角底滑面软弱夹层组合作用，存在整体稳定问题。三个部位坝肩抗力体滑动均属双面滑移问题，按规范方法计算分析表明：在天然状态下，三部位滑移体在设计拱端推力作用下，均远远不能满足规范所要求的抗滑稳定安全系数K=3.25，需采取工程措施进行处理。

实际施工时，对部位一范围内(左岸高程168―180m)的f4断层和J3层问错动夹层及左岸边坡卸荷松动带、大范围倒坡及倒悬大块危石，先采取混凝土贴坡，将边坡护住，然后对山体进行锚固灌浆，以提高抗力体的完整性；对部位二范围内(左坝肩高程198～218m)大裂隙 和挤压夹层，在高程208～218m 内将大裂隙全部挖除，并对大裂隙上盘面进行粗糙化处理，同时对高程208―232m拱端面布置间距1m 的锚筋，以增加拱端面的抗剪力；对部位三的工程处理措施为：在坝基面高程202―208.5m垂直坝基面挖一宽2．5m，高6．5m 的置换洞至F16断层，切断高程203―209m缓倾角软弱夹层。高程218～202m将断层带和断层影响带部分挖除(分别向上下游长7．5m，平均宽度约8m)，然后回填混凝土，设计置换底面积119m (实际置换底面积197m )，设计置换侧面积466m 。经过加固后的坝肩，其抗滑稳定安全系数可达到规范的要求。

从拱坝坝基处理的过程来看：对拱坝坝基，采用大规模混凝土护坡将卸荷松动带、大范围倒坡及倒悬大块危石包住，再通过灌浆和锚固，将不稳定的边坡和卸荷松动的岩体加固成为可利用的坝肩抗力体是可行的；利用传统的槽挖和洞挖将不能利用的岩体挖除后置换为混凝土是最简单有效的坝基处理方法。

3拱坝设计中的经验总结

3．1 设计地形和实际地形有差异情况下的体形调整

在该拱坝坝基开挖过程中，发现由于种种原因，设计地形与实际地形有较大的差异，设计阶段的拱坝体形在实际地形中，拱坝右岸坝顶拱端上游面已悬空，左岸拱端下游面大部分在卸荷岩体上。问题暴露后处理非常棘手，由于坝基已按开挖图基本完成，如按常规的处理方式，必须要再进行相当大量的开挖，坝基深挖后拱坝的跨度相应增大，坝体混凝土方量也会大量增加，工程投资必然较大幅度地超过概算，同时，也会延误工期。另外设计开挖工期是6个月，而开挖已进行了3个月，大量增加工程投资和延误工期是不能接受的。既然继续深挖已不现实，怎样才能使左右拱端均落在可利用基岩上而又不至于增加太大的工程量就成为解决问题的核心所在。首先，要对拱坝体形作出调整，希望能将拱坝左拱端向上游移动并且右拱端向下游移动，以分别避开左岸下游和右岸上游的卸荷岩体。运用中国水科院的拱坝应力分析及体形优化程序ADASO重新调整拱坝体形，但受坝体应力条件和坝体方量的限制，拱端的移动幅度尚不能满足设计要求。根据拱端所需移动方向的特点，在拱坝体形调整的基础上再将坝体整体沿逆时针方向旋转1.6°。即可勉强满足设计要求，根据施工实际调整后的坝体方量为21．2万m3。在实际施工过程中，混凝土方量比技施阶段的方量增加了2．0万m3。其中体形调整增加0．7万m3，坝基处理增加O．3万m3，边坡处理增加1．0万m3，与初设阶段相当，工程投资控制在概算之内，在设计上赢得了主动。

坝址地形是拱坝设计的基础，地形有误对拱坝设计和施工的影响是巨大的，有可能会大幅度增加工程的投资和延误工期，在设计和施工中应慎之又慎。该拱坝在地形有误情况下，通过体形优化设计进行体形调整并通过体形刚体移动来满足实际施工的要求，使工程投资控制在概算之内，对我国今后工程建设有较大的参考意义。另外，该拱坝对应坝址地形地质情况来说，坝基开挖量是较小的，可以说是拱坝浅嵌的典范。

3．2 高坝设计应尽量设置放空底孔

该拱坝在大坝中下部坝顶溢洪道中心线上设置1个底孔，用于放空水库检修上游坝面。放空底孔虽为检修大坝而设计，但实际应用更为广泛。另外，部分帷幕灌浆在渗透水作用下施工不能满足设计要求，利用放空底孔降低水位后，帷幕灌浆能达到设计要求。实践证明大坝设置放空底孔是必要的。

3．3 高度重视坝体横缝附近的混凝土质量

该拱坝坝体自右至左依次分为11个坝段，其中6～8 为溢流孔口坝段。为便于施工，横缝均采用铅直缝面。横缝间距以坝项拱圈中心线弧长控制在20m左右，缝面方向基本与坝顶拱圈中心正交。由于采用铅直的缝面，缝面与其他各层拱圈的法线方向有一交角，为防止可能造成缝面上出现不利的应力条件，该角控制在15°以内。在每条横缝及左岸高程128m 以上坝基和右岸高程143m 以上坝基上游侧距上游坝面30cm 处设一道铜止水，在铜止水下游侧设一道塑料止水。在每条横缝设置高度8～10m 的灌浆区，灌浆区内设球形键槽及灌浆系统，灌浆区周边用H651塑料片，在坝体达到封拱温度场后进行封拱灌浆。

在拱坝建设过程中，由于不重视止浆片周边混凝土的质量控制，导致实施封拱灌浆时出现大面积漏浆，增大了设计施工人员的工作量并影响了施工工期。此事例说明，在拱坝施工过程中要高度重视坝体横缝附近的混凝土质量。

4 结束语

该水电站拱坝采用浅挖右坝肩方案并且右岸上部用混凝土置换方法建成人工地基；运用体形优化工具，在技施设计阶段减少了坝体混凝土方量；在施工图阶段针对与设计地形有差异的实际地形，重新进行了体形调整，并辅之以体形刚体移动等方法，满足了实际施工的要求，使工程的实际投资控制在概算内；通过采用大规模混凝土护坡将卸荷松动带、大范围倒坡及倒悬大块危石包住，再通过灌浆和锚固等工程措施后，坝肩抗力体抗滑稳定满足要求。该水电站建成至今，运转正常。