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平和花溪拱坝设计前期分析及施工调整(二)

来源:233网校 2008年7月30日

  上游面最大外挺值X.和下游面最凹值X0'',均关系到坝体的厚薄程度,尤其X的大小直接影响着拱冠梁上游面下部和两岸悬臂梁上游倒悬度大小。对本拱坝,在满足应力和稳定要求前提下,宜取小值。

  (七)倒悬度控制平面布置初定后,对左右两岸的边梁剖面倒悬控制,规范规定“一般不宜超过1:0.3”。据本人经验体会,执行此条,不应教条,适当要有灵活性,如有需要局部也可较1:0.3稍高些,并通过工程措施予以解决。灵活掌握这一点在拱坝设计调整中尤为实用。

  三、拱坝设计计算

  (一)应力计算根据以上设计前期预见分析:本坝坝型选用双曲单心等厚园拱,顶拱半径按0.6倍开挖后拱端弦长即58m确定;顶拱中心角取较大值为111.5°;本坝设计最低开挖高程为122.0m,河床狭窄,为使底拱有较大的中心角,以获得较好的力学效果,设计采用2.0m厚的砼垫座进行调整改良,即起拱高程为124.0m,底拱中心角亦取较大值为50°。

  依据《浆砌石坝设计规范》规定的荷载组合,利用北京勘测设计研究院“反力参数法”程序进行应力分析比选。由于前期论证分析较充分,参数选择准确,本拱坝在设计调整中,没费太大周折,即获得较满意的设计方案。

  (二)结果分析拱冠梁剖面分析:坝基外挺值α1Tb=4.0m,α1=0.5.上游面最大外挺高度α2H=7.73m,α2=0.184,下游面最凹点高度α3H=21.05m,α3=0.5.上游面最大外挺值X.=4.38m,下游面最凹值X0′=1.3m.拱冠梁上游面下部倒悬度为0.07.从结果看,初选剖面前所作的分析预见是准确客观的。α2=0.184,α3=0.5均属下限,两个高度降低使拱冠梁显扁薄。α3=0.5取大值,X.取小值,使拱冠梁略显后倾,降低了拱冠梁上游面下部的倒悬度,既满足了坝体应力要求,又很好地控制住了两岸悬臂梁上游下部倒悬度,均小于1:0.3.拱坝的优化评价分析:本拱坝的厚高比为0.19,小于0.2,属薄拱坝(规范界定),此指标宏观评估较简单易行,但要综合评价拱坝设计优劣,存在一定局限性。花溪拱坝为缓解拱冠梁上游底部拉应力,改善底部倒悬度,0.2H以下适当加厚,0.2H以上则削得较薄,况且底部为窄谷,适当加厚,增加方量不多。因此应使用柔度系数法评价较客观。本坝体方量为12100m3,柔度系数C=A2/VH=15.5,对照相关柔度系数统计表,本坝已属较优化范畴。

  拱坝应力成果分析:从拱坝应力成果看,坝体拱端最大拉应力-9.77kg/cm2,拱冠梁底最大拉应力-8.73kg/cm2,最大压应力24.75kg/cm2,整个坝体应力分布较均匀,大部分处于受压,局部受拉。花溪拱坝砌筑材料采用150#砼砌毛石,从规范规定的应力控制指标来看,坝体似乎还有挖潜余地。但本人认为,坝体应力分析中的许多参数如坝体和基岩弹模、泊桑比、容重等是靠局部试验或经验类比取定,应力分析的边界条件也含有一些假定,因此计算应力和实际应力存在一定偏差。另一方面,从图纸到实物,还有很多客观和主观的不确定因素,可能需要进行二次调整。本人以前设计的几座拱坝均存在这种情况。因此,从推荐设计方案的角度而言,应适当留有可调整的余地。

  综上分析,笔者认为上述成果作为推荐的设计方案是合理可行的。

  四、施工调整

  (一)调整的原因花溪拱坝开挖后,果然如笔者分析,由于地质情况发生变化和一些人为因素,迫使原拱坝布置方案需作适当调整。

  1.地质因素:坝基开挖后,河中建基面抬高约2.0m;两岸坝肩处岩石风化,建基面低,需作重力墩;左岸三组大裂隙的组合,导致左岸坝后中上部岩体稳定性较差,抗冲刷能力弱。

  2.人为因素:围堰施工时,因施工技术问题,共进行了两次截流,人为加大了围堰宽度,且闭气不彻底,因此施工队又在坝前浇了一道砼挡墙,此砼墙进占入坝体上游轮廓线内,致使河床坝体上游面无“立足之地”。

  (二)调整措施拱坝调整方案综合考虑了各种实际变化,因地制宜,在原设计方案的基础上,作了适当调整。方案得当省时省力。

  对于河床坝体上游面无“立足之地”的问题,如要完全避开砼挡墙,移动较大,两岸坝肩的开挖增加较多,且受左岸下游破碎基岩的限制没有较大的移动空间。结合河床开挖后建基面比预计抬高约2.0m,确定坝轴线沿圆心线作小幅度的平移,起拱高程提高到126.0m,以下仍为2.0m厚的砼垫座,并覆盖住砼挡土墙。拱冠梁剖面取原剖面的126.0m以上段,拱圈半径不变,中心角根据两岸坝头边墩及开挖实地自然增减。

  根据以上确定的调整原则,重新进行应力分析,结果显示拱端最大拉应力-8.55 kg/cm2,拱冠梁底最大拉应力-10.46 kg/cm2,最大压实力25.71 kg/cm2.与原设计方案比,最大拉应力和最大压应力均有所增加,最大拉应力接近规范控制值,满足要求。本坝已投入运行两年多,情况良好。如此结果应归功于原设计方案选择正确,并留有可调整余地。

  五、结语

  通过花溪拱坝设计分析实例,结合笔者以往设计体会,认为:

  (一)在拱坝设计前期,应对坝址所处的河谷平面和立面形状、地质条件、所要选择的拱型、拱冠梁形态及拱坝各种参数进行全面的、有预见性的分析论证和判断,选取初值才能准确切入,从而缩短设计周期,取得事半功倍的成效。

  (二)在设计拱坝时,不能盲目地追求理论上的“优化”,追求应力值极限,还应考虑施工期地质条件变化、施工组织和施工工艺水平高低等一些客观和主观不确定因素的影响,预留少许可调整的余地。(考试大编辑整理)

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