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关键词：碾压混凝土坝 薄拱坝 结构设计 龙首水电站
摘 要：龙首水电站位于甘肃张掖黑河中游，地处西北高温差、高寒、高震地区。针对特殊的地质及气候条件，龙首碾压混凝土薄拱坝在体形设计和抗震、抗冻、抗裂、抗渗等结构设计上进行了详细的研究，提出了独特的设计方案，如在拱坝坝身开设大中孔，坝身诱导缝与拱端周边短缝相结合等，现大坝已建成并安全运行，实践证明效果良好。
龙首水电站枢纽由碾压混凝土拱坝、左岸碾压混凝土重力坝、右岸碾压混凝土推力墩、中表孔泄洪建筑物、坝身放空兼冲沙底孔、坝身取水口建筑物及引水系统和左岸地面厂房及开关站组成。坝基坝肩区共有18条断层，一般垂直于河流，对工程影响较小，其中F6、F7分布在左岸，距河边25～40 m，基本与河流平行，倾角69～87°，倾向岸内，此二断层之间10 m的岩体较为破碎，对坝基防渗和变形不利。断层F16横河向弧形切入河底和两岸，倾向上游，倾角33°～41°。
坝址区发育着两组成X型交切岩体，北东为顺河向，北西(1组)为横切河向(包括岩层)层裂隙，顺河向(2组)断裂方向和拱脚合力方向基本一致，构成不利的结构面。坝区还发育一组缓倾角的结构面。河床覆盖层1～7.5 m，强风化0～3 m，弱风化深7～10 m。坝区基本地震烈度为8度。
1 大坝平面布置及结构设计
根据地形地质条件，结合枢纽各建筑物的布置特点，拦河大坝平面上布置为混合坝型 ，主河道左岸断层节理发育，从安全考虑拟建碾压混凝土重力坝，兼作拱坝坝肩，顶长47.03 m；主河道设碾压混凝土拱坝，拱坝轴线长142.61 m；右岸1 720 m高程以上基岩顶板平缓，拟设推力墩 ，推力墩顶长36.94 m，整个大坝坝顶全长226.58 m（见图1）。
1.1 拱坝
拱坝体形共作了抛物线、单心圆2种双曲拱坝体形，经过安全、经济比较，选择了抛物线拱坝体形作为本坝的设计坝型，在选定的体形基础上，又对拱圈的曲率半径和拱坝对称性作了进一步的优化和调整，使拱坝坝体应力和拱端推力方向更趋合理。体形为抛物线变厚双曲薄拱坝 ，拱冠梁上下游面曲线为三次抛物线，水平拱圈中心轴为二次抛物线，左右拱圈采用相同的曲率半径，曲率半径沿高程按三次曲线变化（见图2）。
拱坝坝顶高程1 751.50 m，最大中心角94.58°，最小中心角54.79°，最大曲率半径54.5 m，最小曲率半径32.75 m，坝顶最大弧长140.84 m，最大坝高80.0 m，坝顶厚度5.0 m, 坝底厚度13.5 m，厚高比0.17，拱冠梁最大倒悬度为1∶0.08，坝身最大倒悬度为1∶0.189。坝体混凝土量为6.83×104 m3，最大仓面面积为1 028.5 m2，在1 720 m高程。
拱坝采用多拱梁法应力分析程序进行了基本工况、校核工况和地震工况等各种工况下的应力、变形分析，结果见表1；同时亦应用了三维有限元对拱坝进行了静动力分析及仿真分析，其结果表明，坝体应力、结点位移分布规律合理，除拱端、结构缝及空洞角点有应力集中现象外 ，其余各部位应力基本满足要求。
1.2 重力坝
重力坝坝高54.5 m，按整体式重力坝设计，不分坝段，其自重必须满足自身稳定，并维持1 697.0 m高程以上左拱端的稳定，其体形设计应能满足刚度、变形、应力的控制指标。根据稳定计算和有限元应力分析确定重力坝断面为：上游为铅直面，坝顶宽30.0 m，坝底宽65.43 m，下游坝坡为1∶0.65，坝底高程1 697.00 m，坝顶长47.16 m（沿坝轴线方向），靠近拱端处坝体局部加厚并调整其体形以适应拱坝拱端的布置。混凝土量为10.8×104 m3。从计算结果看，压应力较小，一般为0.4～1.1 MPa，下游面局部角点有3.8 MPa的压应力，沿岸坡周边有1.1～1.18 MPa的拉应力，拱端接触面上游部位产生0.3～0.4MPa的拉应力，其余部位拉应力均较小。
1.3 推力墩
推力墩布于右岸1 720.0 m高程以上，高31.50 m，体形主要由稳定控制，经计算确定，坝顶宽14.50 m，坝底宽30.25 m，上游面垂直，下游面为一斜坡，坡比为1∶0.5，平面上呈一弧形转向山体内。轴线方位为N36.17W，坝顶长29.32 m（沿坝，轴线方向），推力墩混凝土体积为2.1×104 m3。
2 碾压混凝土大坝的防渗设计
从国内外大量的现场及室内试验资料表明，碾压混凝土自身的抗渗性能较好，可达S9～S12 ，完全能满足80余m高水头的防渗要求，碾压层间结合是一个薄弱环节，碾压混凝土坝防渗的主要问题是解决层间渗漏问题，从我国建成第一座全碾压混凝土拱坝（普定碾压混凝土拱坝）实贱经验来看，解决这个问题是完全可能的，该坝为二级配碾压混凝土自身防渗，从运行情况来看防渗效果较好。因此，为简化坝体断面，施工简便，充分发挥碾压混凝土快速施工的特点,龙首碾压混凝土双曲拱坝亦采用富胶凝材料的二级配碾压混凝土作为坝体防渗层，二级配碾压混凝土层厚为1.5～6.5 m，抗渗标号S8，强度标号R200，抗冻标号D300；拱坝上游面采用1.5～4 m厚二级配碾压混凝土防渗，重力坝、推力墩上游面防渗层与拱坝相同，其厚度与拱坝同高程的相同。同时在上游面2 m范围内每一碾压层面撒铺水泥粉煤灰混合浆液，以增强层面防渗效果。考虑到工程地处西北高寒地区，坝体渗漏易产生冻融，为进一步加强防渗效果，在上游面1 748 m高程以下涂抹了一层防渗涂料。另外坝体每上升高20 m左右须对防渗层进行钻孔压水检查，对达不到抗渗要求的，必须及时进行灌浆处理，确保防渗效果。www.tmgc8.com
3 碾压混凝土大坝的抗裂设计
坝址处多年平均气温8.5℃，1月份平均气温为-32℃，7月份平均气温为37℃，气温变幅较大，计算分析表明，本拱坝温度荷载占了较大比重。拱坝顶轴线长140.84 m，长宽比大，因此为了防止在施工或运行时产生温度裂缝，必须考虑抗裂措施，根据本坝实际结构情况和已有工程的经验，本拱坝采用诱导缝和周边缝相结合的形式防裂。
3.1 周边缝设置
从多拱梁计算结果可知，1 710 m高程以上两拱端上游面主拉应力较大，为释放其拉应力，周边缝从该高程起设，缝内设置键槽并布置接缝灌浆系统，下游2／3缝宽设插筋，以提高沿拱端面的抗滑稳定性和抗震性能。
3.2 诱导缝设置
根据多拱梁应力分布结果，在坝体上设置2条诱导缝，1号诱导缝布在1号表孔右侧，2号诱导缝设在4号表孔左侧，2条诱导缝将坝体分成40、60、41 m共3段。诱导缝从1 700 m高程坝体内起设，缝端设置双层并缝钢筋。
诱导缝采用径向间断的型式，即沿水平和竖直方向各设置一定数量的间断六面体空隙，空隙由特制的混凝土预制板形成，使其在坝体内同一径向断面上形成若干个人造缝隙。为了能够对产生的裂缝进行灌浆，在诱导缝中埋设2套灌浆系统，一套进行水泥灌浆，另一套进行化学灌浆，灌浆系统可以进行多次重复灌浆，以确保拱坝的整体性。
另外，拱坝筑坝混凝土要求具有一定膨胀性，膨胀量 ≥60με，以补偿混凝土收缩，设计配合比选用外掺MgO。
4 碾压混凝土大坝的抗冻设计
坝址处冬季气温低，早晚温差大，冰冻期长，推力敦、重力坝、拱坝坝体下游面须设抗冻层，其厚度按其冻融深度确定为1.5 m，由改性的三级配碾压混凝土形成，抗冻标号D300。另外在1 732 m高程以下坝面设15 cm厚泡沫板作永久保温层。
5 碾压混凝土拱坝泄洪消能
5.1 泄洪布置
龙首水电站500年一遇校核洪水下泄流量3 090 m3/s，根据实际地形条件，主要泄洪建筑物只能布置在拱坝上，通过方案比较，泄洪形式按2个表孔和3个中孔的方案布置。
二表孔布置在三中孔两侧，为WES溢流堰，堰顶高程1 741 m，每孔净宽10 m，采用挑流消能。进口设平板检修闸门和平板工作门，闸门由设在孔顶排架上的固定式卷扬机启闭。
三中孔沿拱坝中心线对称布置，底板高程1 710 m，出口孔口尺寸5 m×5.5 m。进口设5 m×6.6 m平板事故检修门，出口设5 m×5.5 m平板工作门。孔身段底坡为平坡，顶为1∶13.5压坡，采用挑流、窄缝和跌流等混合消能形式。
5.2 中表孔孔洞对拱坝应力的影响
本拱坝开设孔洞较多，多拱梁成果表明，表孔顶部坝体按悬臂梁设计时，薄拱坝坝体应力较难过关，因此，表孔顶部设计了联系梁，以使顶拱圈成为整体，保证了拱坝的整体性。坝体开设中表孔后，设计中采用了有限元法对孔洞应力进行了分析，计算结果表明，开设孔洞后，对拱坝宏观应力应变无实质影响，只在空洞周围较小范围内应力有所改变，中孔的角点及表孔大梁结合部有应力集中现象，实施时加强了这些部位的钢筋配置。
6 工程施工
本碾压混凝土大坝于2000年初开始浇筑碾压混凝土，于2001年6月混凝土浇筑到坝顶1 751.5 m高程。在施工期拱坝上的2条诱导缝完全拉开，最大宽度达5.0 mm，在拱坝其余部位未见明显的危害性裂缝，说明诱导缝防裂效果明显，2001年3月份对2条诱导缝1 700 m高程以上进行了水泥灌浆，对1 700 m高程以下进行了化学灌浆。水库蓄水后（最高水位1 745 m），坝内廊道检查，未发现明显的渗漏，坝下游面无湿痕、坝体心样表观、压水结果、心样强度基本满足要求。坝体应力、结构缝开合度、坝顶位移观测结果均在设计控制范围内。
7 结语
龙首水电站碾压混凝土拱坝是我国在西北高温差、高寒、高震区修建成功的第一座在拱坝坝身开设大中孔的碾压混凝土薄拱坝，这为碾压混凝土在结构复杂的拱坝中运用进行了有益的尝试。采用坝身诱导缝与拱端周边短缝相结合的形式可较好解决在高温高寒地区修建的碾压混凝土拱坝的抗裂问题。在碾压混凝土薄拱坝坝身开设中孔对坝体宏观应力无影响，但对碾压混凝土施工有一定影响，若施工组织得当，可将这种影响大大降低，龙首工程实践证明碾压混凝土薄拱坝坝身开设中孔是可行的。目前龙首水电站碾压混凝土拱坝已建成，库水位已到1 744 m高程，观测资料显示大坝各方面运行正常。www.tmgc8.com
杨家修1 崔进1 张世杰2 (1.贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000)
