清华洞水库工程混凝土堵洞体布置及结构型式分析.pdf

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水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第 1 2期 清华洞水库工程混凝土堵洞体布置及 结构型式分析 卢晓鹏 , 谭光明 1 .云南省水利水电科学研 究院,云南 昆明 6 5 0 2 2 8 ; 2 .文山州水利 电力勘测设计院,云南 文山 6 6 3 0 0 0 摘要 根据 当地工程地质条件,清华洞水库的建设 因地制宜地利用盲谷进行堵洞蓄水成库,采用 H 型混凝土堵洞体作为水库的挡水建筑物 ,打破 了常规的大坝型式,具有结构可靠、工程量小的优 点。 混凝土堵洞体在清华洞水库工程应用中技术上的成功和较好的经济效益 ,对在岩溶地区兴建类似 的水 利工程具有一定指导意义。 关键词 岩溶地区;水库建设;堵洞体 ;结构型式;清华洞水库 中图分类号 T V 6 4 2 7 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 0 0 8 6 0 2 0 1 2 1 2 0 0 5 2 0 4 An a l y s i s o n l a y o u t a n d s t r u c t u r e p a t t e r n o f c o n c r e t e c a v e - p l u g f o r c o n s t r u c t i o n o f Qi n g h u a d o n g R e s e r v o i r LU Xi a o p e ng .TAN Gua n g mi n g 1 . Y u n n a n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r ,K u i mi n g 6 5 0 2 2 8 ,Y u n n a n ,C h i n a ; 2 . We n s h a n I n v e s t i g a t i o n a n d D e s i g n I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ,We n s h a n 6 6 3 0 0 0 ,Y u n n a n ,C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e l o c a l e n g i n e e ri n g g e o l o g i c a l c o n d i t i o n , Q i n g h u a d o n g R e s e r v o i r i s c o n s t r u c t e d a c c o r d i n g t o t h e l o c a l c o n d i t i o n wi t h u t i l i z a t i o n o f b l i n d v a l l e y s t h e r e i n b y p l u g g i n g k a r s t c a v e s t o f o r m a r e s e rvo i r f o r w a t e r s t o r a g e ,i . e . t a k i n g a c o n c r e t e c a v e p l u g o f H t y p e a s t h e wa t e r r e t a i n i n g s t r u c t u r e o f t h e r e s e r v o i r ,w h i c h t a k e s b r e a k s u p t h e n o r ma l w a y t o c o n s t ruc t i o n r e s e t v o i r w i t h wa t e r d a m a n d h a s t h e me ri t s o f r e l i a b l e s t r u c t u r e a n d l e s s c o n s t r u c t i o n q u a n t i t y . Wi t h t e c h n i c a l s u c c e s s a n d b e t t e r e c o n o m i c b e n e fi t ,t h e a p p l i c a t i o n o f t h e c o n c r e t e c a v e p l u g t o t h e c o n s t r u c t i o n Q i n g h u a d o n g R e s e rvo i r h a s a c e r t a i n g u i d i n g s i g n i fi c a n c e t o t h e c o n s t ruc t i o n o f t h e s i mi l a r wa t e r w o r k s w i t h i n a k a r s t r e g i o n . K e y w o r d s k a r s t r e g i o n ; r e s e r v o i r c o n s t r u c t i o n ; c a v e p l u g ; s t r u c t u r e p a t t e r n ;Q i n g h u a d o n g R e s e rvo i r 1 引言 2 水库工程地质条件 清华洞水库位于 云南省 富宁县 城西普厅河主源 洪 门河上游那乐村 的清华 洞 ,是一座利用盲谷堵截 暗河蓄水成库的中型水 库。水库 以灌溉 为主 ,兼顾 防洪、发电和城镇供水于一体,是普厅河上的“ 龙 头水库” 。水库设计 总库容 9 9 3 4万 m ,堵 洞坝体 简称堵洞体 型式为瓶塞式混凝 土堵体加前 后肢。 堵洞体高 8 7 . 5 m,最大水深约 1 1 6 m,校核洪水位 为 8 5 8 . 5 0 m,堵洞体厚一般 8 m,最大跨 度 2 3 m。 水库建设 以实现 最 终规 模 的蓄水 目标 以及完 善灌 溉 、发电工程的配套建设 ,充分发挥 工程灌溉 、防 洪 、发电和城镇供水 的综合效益。 清华洞水库库区位于碳酸盐岩及碎屑岩区,属构 造侵蚀溶蚀低中山地貌。地形地貌较为复杂,地形总 趋势是西高东低,库 区河谷深切 ,两岸 山坡陡峻。库 区南部 、西部及北部群山绵连,山体宽厚 ,无低邻谷。 清华洞水库枢纽区主要由碳酸盐岩组成 ,地形地 貌复杂 ,地表溶洞 暗河 、漏斗 ,溶槽和岩溶洼地 等岩溶地貌较为发育 。清华洞暗河由西向东横穿枢纽 区,全长 6 5 1 m,暗河进 出口河谷深切 ,山崖 陡峻, 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 . 0 6 作者简介卢晓鹏 1 9 6 6 一 ,男,高级工程师, 硕士。 Wa te rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o we r En g i n e e ff n g Vo 1 . 4 3 No . 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 相对高差大于 2 0 0 m,两岸近于直立。暗河高一般 6 0 7 0 m,宽一般 5~1 0 r n ,两壁陡立 ,洞壁有少量的 钙华物。暗河进 口高程 7 4 6 m,出 口高程 7 3 4 m,坡 降约 1 . 8 4 %。暗河 出口洞高大于 4 0 r n ,其 正上方还 见有两层溶洞 ,三层溶洞总高大于 8 0 IT I 。主体工程 堵洞体位于清华洞暗河内,距暗河进口约 3 2 rn ,堵 洞体处暗河高6 7 . 8 rn ,河床宽7 . 2 rn ,河水面高程为 7 4 2 m,洞轴线近于垂直偏左岸 ,洞壁一般光滑完整 , 近于直立 ,发育有少量的钟乳石 、溶沟、溶槽等。堵 洞体一带岩层倾 向下游 ,倾角 2 0 。 ~ 3 0 。 。 3 挡水建筑物布置及结构型式分析 3 . 1 堵洞体位置选择 清华洞水库挡水建筑位置的选择不仅要考虑使其 工程量小 、结构可靠 ,还要考虑方便施工和与基础防 渗的衔接问题 ,坝轴线曾考虑选择在暗河进 口或 出口 处 ,虽方便施工 ,但 由于暗河进出口处断面大、地形 地貌较为复杂、地形坡度较陡、岩石破碎和节理裂隙 较为发育 ,且进 出口处还发育有数个 层 规模较大 的溶洞 ,从而使得防渗帷幕难于布置和灌浆无法搭接 而加以否定 。通过对枢纽区及清华洞暗河的全面勘察 之后 ,结合暗河的地质 、地形条件 ,提 出对暗河桩号 01 6 8和 0 0 8 5两条坝轴线进行比选。 据勘察 比较 ,01 6 8坝线处暗河断面较小 ,暗 河顶部钙化堆积物较为发育 ,该坝线距泥页岩与结晶 灰岩互层相对隔水层和钛辉辉长辉绿岩隔水层相对较 远 ,防渗帷幕工程 量和施工难度均较大。00 8 5坝 线处暗河高 6 7 . 8 m,两侧洞壁光滑完整 ,近于直立 , 钙华堆积不发育 ,该坝线距相对隔水层和隔水层相对 较近,防渗帷幕 工程量相对较 小 ,且方便施 工。因 此 ,确定 0 0 8 5桩号为清华洞水库工程坝轴线位置 , 坝轴线距清华洞暗河进 口8 5 . 0 m。 3 . 2堵洞体结构分析 3 . 2 . 1 结构 型 式的拟 定 清华洞水库工程所选定 的坝轴线位置暗河断面宽 一 般 5~1 5 m,高为 6 7 . 8 m,暗河断面呈窄高型 ,洞 壁基岩较为坚硬。由于库水位超过洞顶 ,需对暗河进 行全断面封堵 ,坝体四周均与基岩接触 ,其结构型式 不宜采用常规的拱坝或重力坝,结合暗河实际,将暗 河狭窄的不利条件充分转变为有利条件,使挡水建筑 物既达到结构可靠又节省投资的目的,经方案比选, 确定挡水建筑物结构型式为堵洞体结构。 堵洞体采用的体型既不是一个单纯的拱,也不是 一 个单纯的封堵体 。为减少作用在堵洞体上 的水压荷 水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第 l 2期 卢晓鹏, 等∥清华洞水库工程混凝土堵洞体布置及结构型式分析 载 ,同时避免下层灌浆廊道从堵洞体中部穿过 ,以及 使帷幕线布置连接顺畅,设计时将帷幕灌浆线置于堵 洞体 的上游侧 ,为保护洞壁岩体 ,将堵洞体沿上游洞 壁延伸约 3 . 0~3 . 5 m,从 而形成 了上游侧 的两肢翼 墙。为尽量减小开挖量和降低堵洞体的体积 ,设计考 虑堵洞体嵌人洞壁岩体 3 . 5 m,因嵌人深度不大,堵 洞体两侧岩体在附加应力场的作用下易失去稳定,故 把堵洞体 向下游沿洞壁延伸一定距离 ,形成下游两肢 翼墙 ,并加上横向支挡联系构件 ,这样就限制了洞壁 岩体 向洞 内的位移 ,堵洞体两侧岩体无 自由剪出的临 空面,使岩体的抗滑稳定性提高。此堵洞体平截面形 如大写字母 H,即称之为 H型混凝 土堵洞体。其平 面布置情况如图 1所示。 图 1 暗河堵洞体平面布置示意 3 . 2 . 2结构 尺寸 的选 定 根据暗河高度和形状特征,选择高程 7 4 2 m、7 5 6 m 和7 9 0 m处水平截面作为基本断面,论证其厚度。经分 析计算,7 4 2 m高程处堵洞体厚达到 7 . 0 m即可满足应 力要求 ,但鉴于堵洞体建筑物在枢纽工程中的极端重 要性和体型的复杂性 ,最终决定 7 4 2 m高程处堵洞体 厚度采用 8 . 0 m,随着高程的增加,荷载强度减小,堵 洞体厚度可以连续渐变 ,逐渐变薄,但为使其体型简 单 ,堵洞体厚度则分为三级突变 ,即 7 5 6 m高程以下 为等厚 8 . 0 m,7 5 6 7 9 0 m高程之间采用等厚 7 . 0 r n , 7 9 0 m高程以上设计时采用等厚 6 . 0 n l ,在实施过程中 由于 7 9 0~ 8 1 0 IT I 高程开挖后的跨度达2 1 m,故将此段 厚度改为 9 . 0 m。堵洞体结构尺寸如图2 、图 3所示。 3 . 2 . 3堵洞体材料设计指标选用 根据当地建筑材料情况和考虑方便施工等因素, 堵洞体填 筑 材料 采 用 C 2 0素 混凝 土 ,抗 渗 标 号 为 W8 ,除放空闸周边为二级配外,其余部位均采用三 级配混凝土填筑 。 3 . 2 . 4应力分析 1 分析方法。堵洞体结构为 H型结构 ,结构物 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 卢晓鹏, 等∥清华洞水库工程混凝土堵洞体布置及结构型式分析 图2 暗河堵洞体横断面示意 单位m 图3 暗河堵洞体剖面示意 单位m 与地基紧密地形成一个整体 ,不易分开;水平截面构 件相对肥大 ,堵洞体是一形体复杂的平面块体构件 ; 横向构件高度 8 0 余 m,可视为两端置于弹性地基上 的梁 ,但截面复杂 ,相对来说刚度小 ,而认为水平构 件承担了全部荷载。因此 ,假定荷载全由水平构件承 担 ,不考虑纵向构件的分配 ,采用线弹性平面有限元 方法 ,把地基和结构一起进行分析 ,分析程序为国内 外广泛使用的“ S P A 5 ”,采用四边形和三角形两种 单 元进行分析。 2 结构物应力与地基稳定控制标准。根据工程 实际,所采用的 H型混凝 土堵洞体具有一定 的拱作 用 ,设计时其结构物应力与地基稳定控制标准主要参 照拱坝设计规 范,本 工程的 H型混凝土堵洞体 为 3 级建筑物 ,规范规定 压应力安全系数对于基本荷载 组合为 4 . 0 ,特殊荷载组合 为 3 . 5 ;拉应 力对 于基本 荷载组合不大于 1 2 X 1 0 P a ,特殊荷载组合不大于 l 5 1 0 Pa 。 3 荷载与荷载组合 。工程无冰压 ,浪压 由于水 位高于堵洞体 ,高水位时的波浪冲击不到堵洞体 ,故 略去不计 ,工程 区地震基本烈度为Ⅵ度 ,经分析 ,其 地震水压加地震惯性力 ,对结构应力和地基稳定的影 响 ,仅为水压加 泥沙荷 载的 2 . 5 % ~3 . 0 % ,况且 地 下工程的抗震性能较好 ,故不计地震荷载 。自重荷载 与扬压力仅作用 于竖 向构件,而不作用于水平构件 , 故作用于水平构件上的主要荷载为水压力 、泥沙压力 和温度应力。 4 应力分析成果 。堵洞体连同地基一起共剖分 为 5 2 7个单元 ,5 8 9个节点 ,涉及材料有混凝 土与岩 石两种材料。混凝土的物性指标为C 2 0混凝土弹模 为 2 . 61 0 MP a ,泊桑 比 为 0 . 1 6 7 ,线膨胀系数为 1 . 01 0 / 。基岩 的物性 指标为 变形模量 E为 1 . 61 0 MP a ,泊桑 比 为 0 . 2 3 ,线膨胀系数为 1 . 0 X1 0 /℃。应力计算成果如表 1 所列。 表 1 堵 洞体应 力分析成 果 1 0 P a 拱冠截面 边侧截面 拱座截 面 断面高 安全 程/ m 最大 最 大 最大 最大 最大 最 大 系数 压应力 拉应力 压应力 拉应力 压应力 拉应 力 7 4 2 . 0 0 1 3 . 7 0 1 0 . 2 O l 6 . 6 0 3 . 7 O 3. 9 6 1 . 7 5 3 . 6 4 7 6 5 . 0 0 1 5. 5l 9 . 6 4 1 3 . 5 3 3 . 6 5 3. 4 3 1 . 3 4 4 . 5 2 7 9 0 . 0 0 1 1 . 5 7 7 . 5 7 1 0 . 1 3 3 . 51 2. 2 9 O . 9 6 5 . 6 0 由应力分析计算成果可知 ,堵洞体各截 面的拉 、 压应力和结构安全系数均满足规范要求 ,堵洞体结构 尺寸拟定合理。 4 工程完成情况 清华洞水库工程从 1 9 9 2年 7月开工至 1 9 9 6年 9 月完成了堵洞体工程的实施任务, 堵洞体高度为8 7 . 5 m, 共 完成堵洞体两侧石方开挖 8 6 0 0 m ,混凝土浇筑 1 4 8 0 0 m ,钢筋制安 3 2 t ,完成投资 7 1 8万元。2 0 0 9年 1 0 月整个工程建设结束,水库达到了最终建设规模,总 库容为 9 9 6 5万 m 。 , 兴利库容 3 8 7 0万 m ,调洪库容 2 6 4 3万 i n 。 ,死库容 3 4 5 2 万 H l 3 ,水库最大水深 1 2 4 . 6 I T I 。 下转 第 5 6页 水利水电技术第4 3卷2 O 1 2年第 1 2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 梁必块∥堆石混凝土施工关键技术分析 表 1 堆石入仓方式对 比 堆石方式 堆石速度 质量控制 应用条件 综合造价 自卸车入仓 快 较复杂 受施工条件限制 低 塔机入仓 较慢 容易 不受地形条件 限制 较高 起重 吊入仓 较慢 容 易 不受地形条件 限制 较低 缆索人仓 慢 容 易 有施工条件要求 较低 止外来水流入。 2 堆石混凝土技术优势 1 施工成本低 ,质量保证率高。仅需要少量设 备,依靠几个劳动力便可完成堆石混凝土的人仓与浇 筑工作。机械化操作不仅节约了人力成本 ,还减少了 人为的干预 ,保证了施工质量。 2 降低水泥用量与低水化热温升。堆石混凝土 中块石含量达 5 5 %以上 ,专用 自密实混凝土含量低 , 这就大大减少 了水泥 的用量。根据工程 实际数据分 析 ,不同岩性 的 C 2 0等级堆石混凝 土绝热温升一般 在 1 3~ 1 8℃,实际大体积堆石混凝土工程实测到的 最高温升分别为 7 . 1℃ 、1 0 . 2℃和 1 0℃ ,说 明堆石 混凝土具有很低的水化热温升。实际大体积堆石混凝 土施工中没有采用温控措施 ,也没有发现温度裂缝。 3 工程应用 围滩水 电站位于 山西省晋城市泽州县金村镇围滩 泉附近的丹河干流上 ,是以发电、城市生活和工业供 丫丫 丫 T 丫 ’ r 了丫 水为主 ,兼顾生态旅游等综合性水利工程 。2 0 0 9年 1 0月 ,堆石混凝土浇筑工作 开始 ,2 0 1 0年 9月,主 坝浇筑完成。 围滩水电站坝型原设计为浆砌石重力坝 ,由溢流 坝段 、非溢流坝段及冲沙闸段组成 ,水库最大设计坝 高 5 9 m。因浆砌石施工速度慢 ,不能保证施工质量 , 为了加快大坝施工进度 ,提高工程质量 ,大坝坝体 由 MI O浆砌石改为 C 1 5堆石混凝土。通过对 山西清峪 水库第一座堆石混凝土重力坝的调研 ,结合工程材料 价格情况分析 ,堆石混凝土方案成本与原方案相比增 加很少 ,大大提高了施工进度 ,减少了人工施工带来 的质量隐患 ,并保证了工程质量 ,原来计划近百人 的 施工队伍精简到 2 0多人 ,施工 速度反而提高 4倍 , 因此堆石混凝土技术开始在围滩水 电站应用 。 术 木 术 l 堆石混凝土施 工技术有许多优势 ,如施 工成本 低、对环境影响较小、施工过程简单等,尤其在山西 省石料丰富的地方 ,堆石混凝土在很大程度上还有其 更为广阔的发展空间和应用价值。 参考文献 [ 1 ] 金峰 ,安 雪 晖 .堆石 混 凝土 大坝 施 工方 法 [ P] .中 国专 利 0 3 1 0 2 6 7 4,2 0 0 3- 0 2 1 4 . [ 2] 安雪 晖,佐藤文则 .自密实混凝 土在 大坝建设 中 的应 用 [ J ] . 日经建筑 日语 , 2 0 0 6,62 2 2 4 . 责任编辑郭利娜 ]广 丫丫 丫 1r . 丫丫丫 ] r丫]广 ]广 丫’ r _‘ r 丫一 T 丫丫丫 T]『 - l 丫T 丫 丫 丫丫丫丫 丫丫 上接 第 5 4页 清华洞水库 目前 已正常蓄水运行 ,保证 了富宁县 城的城市供水 、对富宁县城的防洪起到重要 的作用 , 并解决下游 2 . 2 6万亩农 田和 2 1 . 5万亩热区作物的灌 溉问题 ,有效地促进 当地经济社会可持续发展 ,达到 水库综合利用的 目的。 5 结论 清华洞水库因地制宜,采用 H型混凝土堵洞体 作为水库的挡水建筑物,打破了常规的大坝型式,其 具有结构可靠、工程量小的特点,其投资仅占工程总 投资的 7 % ,使得 整个水库单位水方投 资仅为 1 . 0 2 m ,混凝土堵洞体得 以成功应用 ,对岩溶地 区兴 建类似的水利工程将起到重要指导意义。 岩溶地 区利用盲谷堵洞建库 ,突破了常规的大坝 建库型式 ,工程造价低。清华洞水库的成功蓄水 ,提 供了一个在岩溶地区成功修建蓄水工程的范例。 参考文献 [ 1 ] 汪方 富 .贵州普定马官岩溶地下水库成库条件及效益研究[ J ] . 中国岩溶 ,1 9 9 9,1 9 1 . [ 2 ] 周宁 ,等 .鄂西南岩溶槽 盲 谷开发利用方案探讨 以宣恩 县洗草坝岩溶盲谷为例 [ J ] .地球与环境,2 0 0 5 b l O 2 2 9 . 2 3 6 . [ 3 ] 尹红莲 ,沈长松 ,陈治义,等 .尼 山水库 岩溶坝基 的防渗处理 [ J ] .中国农 村水利水 电,2 0 0 4 3 6 6 6 6 . [ 4] 耿 弘 .云南岩溶地区水资源开发利用 [ M] .昆明 云南科 技出 版社 ,2 0 0 2 . [ 5 ] 康彦仁,张邦仞 . 云南蒙自五里冲水库岩溶及其工程处理[ J ] . 中国岩溶 ,2 0 0 2,2 1 2 1 2 0 1 3 0 . [ 6] 文山州水利 电力勘察设计院 .富宁县清华洞水库第二期 工程初 步设计报告 [ R] .文山 文山州水利 电力勘察设计院 ,2 0 0 7 . 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