浆砌石拱坝的优化设计之浅探

摘要：浆砌石拱坝由于在材料、施工、设计等方面的优越性，近年来在我国发展迅猛，在各地中小水利工程中应用广泛。因此，浆砌石拱坝的优化设计成为现阶段具有实际意义和理论价值的重要问题。本文分析了浆砌石拱坝的特点，进而从平面布置、应力分析和拱坝体型三个方面对浆砌石拱坝的优化设计做出了解答。

关键词：浆砌石拱坝，优化设计

1 砌石拱坝的概念及特点

砌石坝又名烤工坝，它是由一定规格的石料经浆砌或干砌而成的一种挡水建筑物。在平面上呈拱型，起到拱的传力作用的砌石坝，即为砌石拱坝；浆砌的砌石拱坝，即为浆砌石拱坝。 从20世纪70年代起，我国拱坝建设迈入了全新的发展阶段，中小型砌石拱坝得到了迅速发展，截至80年代末，世界范围内共兴建高度15m以上的拱坝达1592座，其中我国753座，占总数47.3 %；截至2000年年底，我国坝高15m以上的砌石坝共有2683座，其中砌石拱坝为1538座，占总数的57.3%。这些砌石拱坝工程在当地的国民经济发展中发挥了巨大的作用。

拱坝是坝体向上游凸出，在平面上呈拱形，拱端支承于两岸上的混凝土或浆砌石的整体结构。作用于砌石拱坝上的荷载，大部分都由其坝体拱的作用传递到两岸坝肩岩体上，小部分则通过竖向悬臂梁的作用传至坝基。拱坝的自身调节能力非常强，即使在局部受力过大时，也能自行调整，只要坝肩稳定可靠，就不致影响其整体的安全性。拱坝的稳定性不像重力坝那样主要依靠自重来维持，而是主要依靠两岸坝肩岩体的反作用力来维持。一般来说，拱的作用越强，坝体的厚度就越能减小，坝体体积也就越小。大坝采用现代技术理论进行设计和施工的历史约近150年，在这段时期内，实践证明拱坝是各种挡水坝中最为安全的一种砌石拱坝除了它的安全性、经济性外，还存在着因地制宜、就地取材、施工简易，初期工程量小、便于改善劳动条件，便于导流和度汛等诸多特点。

2 大坝结构设计

2.1结构布置

大坝坝型为C15混凝土砌毛石拱坝，拱冠梁上游面曲线采用二次抛物线，平面拱圈形式为等厚的圆弧线。坝基面高程342.0m，最大坝高49.6m，正常水位时河谷宽高比3.9m，坝顶轴线总长149.672m，经优化设计，在左岸桩号坝0+140.215处，坝轴线转折直线布置，以控制坝顶左半中心角。由应力稳定条件控制拟定坝体断面：拱坝坝顶宽4m，坝底宽9m，最大坝高49.6m，厚高比为0.18，拱冠梁最大倒悬度控制在0.2以内，属薄拱坝。最大外半径76.68m，最大内半径71.68m，最大中心角101.9610。两岸非溢流坝380m高程以上坝顶宽4m，底宽6.68，上游坡度m1=0，下游坡度m2=0.231。

坝体内部采用C15砼砌毛石，迎水面依次为一级配砼砌C15砼预制块厚300，C20砼防渗心墙平均厚度1.35m，下游面用一级配砼砌C15砼预制块厚300。坝体底部设C15砼垫层，设计厚度为1.0m。防渗心墙厚度从顶到底部为0.3m～1.272m，底部厚度为最大水头的1/38。防渗砼抗渗等级为W6，抗冻等级为F50。

2.2拱坝应力分析

该拱坝应力采用水利水电科学研究院结构所编制的拱坝多拱梁混合法应力分析程序——《拱坝体形优化程序ADASO》软件计算。该程序采用多拱多梁径向、切向、水平扭转、垂直扭转四向全面调整进行拱坝应力计算。

1）应力计算参数

a坝体C15混凝土砌60MPa毛石：容重2.3t/m3，弹性模量为9Gpa；线膨胀系数为7×10-6；泊松比为0.22。b坝基按石炭系大塘组地层岩性较差岩石的参数：容重2.75t/m3，弹性模量为12GPa；线膨胀系数为6.8×10-6；泊松比为0.27。c温度荷载计算按砌石坝设计规范的有关公式计算。砌石体导温系数为3m2/月；气温年变幅为10.950C；日照影响为20C；稳定计算初始相位为6.5月；封拱温度为150C。

2）ADASO程序计算成果

根据ADASO程序计算成果分析，基本组合时，最大主压应力为246.16×104Pa，小于坝身控制压应力331×104Pa；中央悬臂梁底的最小主拉应力为-75.88×104Pa，小于中央悬臂梁底的控制拉应力-110×104Pa；其他部位的最小主拉应力为-37.08×104Pa，小于坝体其他部位的控制拉应力-100×104Pa，均满足坝体应力控制要求。拱端最大压应力为213.28×104Pa，小于坝基容许承载力300×104Pa。

特殊组合时，最大主压应力为263.45×104Pa，小于坝身控制压应力386×104Pa；中央悬臂梁底的最小主拉应力为-89.02×104Pa，小于中央悬臂梁底的控制拉应力-110×104Pa；其他部位的最小主拉应力为-44.90×104Pa，小于坝体其他部位的控制拉应力-100×104Pa，均满足坝体应力控制要求。拱端最大压应力为230.77×104Pa，小于坝基容许承载力300×104Pa。

从而，拱坝应力计算指标均满足规范要求，拟定的拱坝剖面合理。

2.3拱坝坝肩稳定分析

该工程拱坝中心线方位角为269.932°，拱肩的最大半中心角52.817°。左坝肩以陡倾结构面N60°W/SW∠70～85°为侧向滑裂面，以缓倾结构面N85°E/SE∠20～30°倾下游为底滑面，以SN/E∠70～85°节理面为上游拉脱面；右坝肩以陡倾结构面N75°E/NW∠65～85°为侧向滑裂面，以岩层层面N40°W/∠20～30°倾上游偏左岸为底滑面，考虑了底滑岩层倾向河床的不利情况，其倾角为20～250，以SN/E∠70～85°面为上游拉脱面。抗滑岩体均扣除了表层强风化（平均扣除厚0.5m）及松散崩塌体，以原生基岩作为抗滑体。

本次计算系按平面分层进行，计算中左、右岸抗滑岩体分别采用综合参数，其中陡倾结构面裂隙连通率为40%。大坝基本组合工况的分层稳定最小安全系数为4.08；特殊组合工况的分层稳定最小安全系数为3.91，均满足要求。

2.4堰顶以上非溢流坝应力及稳定分析

本工程大坝堰顶开口较大，宽达80m，考虑两岸非溢流坝段拱效应较小，且左岸坝轴线转折后桩号坝0+140.215～坝0+149.672段为直线型重力坝体，故左、右岸380m高程以上非溢流坝段按重力坝原理进行复核计算，坝顶宽4m，上游坡度m1=0，下游坡度m2=0.231。坝体上游设有C20混凝土防渗心墙。

2.5基础及防渗处理

大坝建基面开挖至弱风化岩体中上部的基岩，遇裂隙密集带或卸荷裂隙适当嵌深。坝基平均开挖深度为12m，两岸坝肩平均开挖深度为9m。坝基范围内未发现有大型岩溶洞穴，对一些岩溶裂隙、泥化夹层等，结合清基开挖，冲洗后回填砼及加强固结灌浆处理。

整过坝基进行了固结灌浆处理，重点选在河床坝基的节理密集带。固结灌浆孔深入基岩5m，呈梅花型布置，孔排距均为3m。在坝肩坡度大于500的陡壁面及上游坝基接触面进行接触灌浆，接触灌浆孔结合固结灌浆孔布置。

坝址为补给型河谷类型，坝基及两岸岩体在一定的深度下属溶孔、溶隙型弱含水、弱透水岩体，坝基及两坝肩灰岩在一定深度范围内，仍存在渗漏问题，必须进行帷幕灌浆处理。根据大坝坝高，结合地质情况，防渗帷幕以吕荣值q≤3Lu控制下限。坝基的帷幕灌浆下限为坝基以下25m；两坝肩防渗长度自两坝肩向山体内各延伸30m。

3 结束语

综上所述，砌石拱坝是一种工作条件好，超载能力极强的坝体结构形式，其抗震性能好、具有可靠的抵御意外洪水及涌浪翻坝的能力，而且垮坝事故率低、耐久性能好，其综合安全性和经济性都非常的优越。