CN107313406B - 岩前混凝土重力坝布置结构及其布置方法 - Google Patents

岩前混凝土重力坝布置结构及其布置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩前混凝土重力坝布置结构及其布置方法，属混凝土重力坝技术领域。本发明包括坝体；所述坝体包括上部混凝土结构和下部混凝土结构；所述上部混凝土结构位于下部混凝土结构上；所述上部混凝土结构与坝后岩体分离；所述下部混凝土结构与坝后岩体连接，且下部混凝土结构与坝基岩层的接触面为坡形阶梯；所述上部混凝土结构和下部混凝土结构的上游坝面为斜坡形；所述坝基岩层为硬岩。本发明可增加坝体的稳定性和坝后岩体的稳定性，并可保证坝体混凝土与坝后岩体的自然结合。

Description

岩前混凝土重力坝布置结构及其布置方法
技术领域
本发明涉及混凝土重力坝技术领域，具体涉及的是一种岩前混凝土重力坝布置结构及其布置方法。
背景技术
重力坝为适应两岸地形地质条件或节省投资，通常在主河床坝段与岸坡之间设置连接坝段。对低水头宽阔河道，往往采用土石坝衔接。对峡谷坝址，衔接坝段多采用实体非溢流重力坝。
如铜街子水电站，坝址区左岸漫滩，宽约200m，长约1.5km。为避免坝轴线附近左岸小庙和桑树坪二处滑坡地带受库水位影响，左岸接头坝采用面板堆石坝；丹江口、葛洲坝、西津等水电站大坝岸边也采用土石坝衔接；景洪水电站两岸岩体风化强烈，坝肩部位全、强风化岩体严重，两岸采用混凝土重力坝衔接。
无论上述工程是采用土石坝衔接，还是采用实体重力坝衔接，连接坝段均单独承受作用在其上的荷载，保证自身的顺流向稳定以及侧向稳定、强度和刚度需要。
目前，对于一些水电站大坝工程，常需考虑当地人文需要，对当地的人文自然景观进行保护和利用，而国内外重力坝中，尚无对混凝土重力坝坝后岩体(人文自然景观)进行利用，使得混凝土重力坝坝体与坝后岩体(人文自然景观)联合受力的实例。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种坝体与坝后岩体能够良好结合，且坝体与坝后岩体稳定的岩前混凝土重力坝布置结构及其布置方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
岩前混凝土重力坝布置结构，包括坝体；所述坝体包括上部混凝土结构和下部混凝土结构；所述上部混凝土结构位于下部混凝土结构上；所述上部混凝土结构与坝后岩体分离；所述下部混凝土结构与坝后岩体连接，且下部混凝土结构与坝基岩层的接触面为坡形阶梯；所述上部混凝土结构和下部混凝土结构的上游坝面为斜坡形；所述坝基岩层为硬岩。
进一步地，所述坝体的重心与坝体底部端侧的坝踵的水平距离L2≥1/2坝宽L0。
进一步地，所述坝体的重心与坝体底部端侧的坝踵的垂直高度H32≤1/3坝高H0。
布置上述岩前混凝土重力坝布置结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)初拟坝形：根据坝后高耸岩体的高度和坝基岩层的地形，对混凝土重力坝坝体与坝后岩体的结合高度、混凝土重力坝坝体的上游坝面的坡比及坡顶高程、混凝土重力坝坝体的下部混凝土结构与坝基岩层的坡形阶梯接触面的各级阶梯的坡比及平台宽度进行设计，得到混凝土重力坝坝体的初始坝形；
2)混凝土重力坝坝体受力、稳定及变形分析：对步骤1)中混凝土重力坝坝体的初始坝形进行抗倾和抗滑分析、混凝土重力坝坝体与坝后岩体的联合受力抗倾和抗滑分析、混凝土重力坝坝体向坝后岩体的正压传力分析以及混凝土重力坝坝体的变形有限元分析；
3)混凝土重力坝坝体的坝形调整：根据步骤2)的分析结果，对混凝土重力坝坝体与坝后岩体的结合高度、混凝土重力坝坝体的上游坝面的坡比及坡顶高程、混凝土重力坝坝体的下部混凝土结构与坝基岩层的坡形阶梯接触面的各级阶梯的坡比及平台宽度进行调整；
4)参照步骤2)对步骤3)中调整坝形后的混凝土重力坝坝体重新进行混凝土重力坝坝体受力、稳定及变形分析；
5)重复上述步骤，直至整个混凝土重力坝坝体落于硬岩岩层上，且混凝土重力坝坝体的自重与混凝土重力坝坝体的上游坝面承受的上游水压力的合力与混凝土重力坝坝体的下部混凝土结构与坝基岩层的接触面正交，使得混凝土重力坝坝体与坝后岩体处于正压状态，以得到混凝土重力坝坝体稳定、坝后岩体稳定、混凝土重力坝坝体与坝后岩体自然结合的混凝土重力坝坝体的坝形。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过让坝体的上部混凝土结构与坝后岩体脱开，让坝体的下部混凝土结构向坝后岩体传力，并调整上游坝面和下部混凝土结构与坝基岩层的接触面的坡度，减小坝体向坝后岩体传力的大小，同时使得混凝土坝体向坝后岩体的传力尽可能向下，增加坝体的稳定性和坝后岩体的稳定性，且使该力与坝体的下部混凝土结构与坝基岩层的接触面尽可能正交，以正压为主，保证坝体混凝土与坝后岩体的自然结合。
附图说明
图1为现有技术岩前混凝土重力坝布置结构的剖面图；
图2为现有技术岩前混凝土重力坝布置结构的传力示意图；
图3为现有技术岩前混凝土重力坝布置结构完建后(a)和正常运行时(b)的受力及重心位置示意图；
图4为本发明岩前混凝土重力坝布置结构的剖面图；
图5为本发明岩前混凝土重力坝布置结构的传力示意图；
图6为本发明岩前混凝土重力坝布置结构完建后(a)和正常运行时(b)的受力及重心位置示意图。
图中：坝体1(其中：上部混凝土结构11、下部混凝土结构12)、坝后岩体2、坝基岩层3、上游坝面4、坝踵5、硬岩6、软岩7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
马来西亚沐若水电站大坝工程，如图1、图2、图4和图5所示，该工程岩层为横河向陡倾软硬相间岩层，右岸为高耸的“圣石”(坝后岩体3)，该“圣石”(坝后岩体3)受当地土著朝拜，需保留。“圣石”(坝后岩体)自上游深沟算起，高达近百米，上游岩壁近乎直立，略向上游倒倾，“圣石”(坝后岩体3)从顶往底厚20m～50m，其上游硬岩的宽度D1约20m，再向上游，为软岩7深沟，岩层软弱，地形急剧降低高度H1为20m，且覆盖层深厚。
如图1所示，现有技术中采用常规混凝土重力坝结构作为大坝与坝后岩体(“圣石”)的连接段，该混凝土重力坝的坝体1与坝后岩体2分开，上游坝面4为竖直面。该混凝土重力坝的坝体1的宽度D2为35m，而坝后岩体2上游硬岩6的宽度D1为20m，不足以布置混凝土重力坝，此时，在保留坝后岩体2的前提下，混凝土重力坝的坝体1将有一部分落于与硬岩6紧邻的软岩7上，整个坝体1的坝高H2为70m，施工时，工程量巨大。
如图2所示，现有技术的混凝土重力坝结构主要承受自重G1和上游水压力F1，且混凝土重力坝的坝体1的重心落于软岩7上。
如图3所示，现有技术的混凝土重力坝结构完建后坝体1的重心与坝体1底部端侧的坝踵5的水平距离L1为10.41m，垂直高度H31为33.35m，重心较高，将引起混凝土重力坝倾向上游的大变形；正常运行时，坝体1的重心与坝体1底部端侧的坝踵5的水平距离L1为10.41m，上游水压力F1的高度H41为22m，而混凝土重力坝的坝体1自重G1对下部软岩7的压力达28460KN，将会导致软岩压缩，且上游水压力F1通过混凝土重力坝的坝体1对下游坝后岩体2的压力达21780KN，使得坝后岩体2承受过大传力，且因软岩7抗滑参数低，从而大大降低混凝土重力坝的坝体1的抗滑稳定性和坝后岩体2的稳定性。
本发明岩前混凝土重力坝布置结构就是针对现有技术中缺乏混凝土重力坝坝体与坝后岩体联合受力的研究而提出一种新的并可将混凝土重力坝的坝体1与坝后岩体2自然结合的岩前混凝土重力坝布置结构。
如图4所示，岩前混凝土重力坝布置结构，包括坝体1；所述坝体1包括上部混凝土结构11和下部混凝土结构12；所述上部混凝土结构11位于下部混凝土结构12上；所述上部混凝土结构11与坝后岩体2分离；所述下部混凝土结构12与坝后岩体2连接，且下部混凝土结构12与坝基岩层3的接触面为坡形阶梯；所述上部混凝土结构11和下部混凝土结构12的上游坝面4为斜坡形；所述坝基岩层3为硬岩6。
布置图3所示的岩前混凝土重力坝布置结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)初拟坝形：根据坝后高耸岩体的高度和坝基岩层的地形，对混凝土重力坝坝体1与坝后岩体2的结合高度、混凝土重力坝坝体1的上游坝面4的坡比及坡顶高程、混凝土重力坝坝体1的下部混凝土结构12与坝基岩层3的坡形阶梯接触面的各级阶梯的坡比及平台宽度进行设计，得到混凝土重力坝坝体1的初始坝形；
2)混凝土重力坝坝体1受力、稳定及变形分析：对步骤1)中混凝土重力坝坝体1的初始坝形进行抗倾和抗滑分析、混凝土重力坝坝体1与坝后岩体2的联合受力抗倾和抗滑分析、混凝土重力坝坝体1向坝后岩体2的正压传力分析以及混凝土重力坝坝体1的变形有限元分析；
3)混凝土重力坝坝体1的坝形调整：根据步骤2)的分析结果，对混凝土重力坝坝体1与坝后岩体2的结合高度、混凝土重力坝坝体1的上游坝面4的坡比及坡顶高程、混凝土重力坝坝体1的下部混凝土结构12与坝基岩层3的坡形阶梯接触面的各级阶梯的坡比及平台宽度进行调整；
4)参照步骤2)对步骤3)中调整坝形后的混凝土重力坝坝体1重新进行混凝土重力坝坝体1受力、稳定及变形分析；
5)重复上述步骤，直至整个混凝土重力坝坝体1落于硬岩岩层上，且混凝土重力坝坝体1的自重与混凝土重力坝坝体1的上游坝面4承受的上游水压力的合力与混凝土重力坝坝体1的下部混凝土结构12与坝基岩层3的接触面正交，使得混凝土重力坝坝体1与坝后岩体2处于正压状态，以得到混凝土重力坝坝体1稳定、坝后岩体2稳定、混凝土重力坝坝体1与坝后岩体2自然结合的混凝土重力坝坝体1的坝形。
如图5所示，本发明的岩前混凝土重力坝结构主要承受自重G2和上游水压力F2，且混凝土重力坝的坝体1的重心落于硬岩6上。
如图6所示，本发明的岩前混凝土重力坝布置结构完建后坝体1的重心与坝体1底部端侧的坝踵5的水平距离L2为10.61m，垂直高度H32为14.45m；正常运行时，坝体1的重心与坝体1底部端侧的坝踵5的水平距离L2为10.41m，上游水压力F2的高度H42为12.97m，而混凝土重力坝的坝体1自重G2对下部硬岩6的压力为13500KN，且上游水压力F2通过混凝土重力坝的坝体1对下游坝后岩体2的压力为10770KN。相较于现有技术，本发明无论是在完建后，还是在正常运行时，混凝土重力坝的坝体1重心均大大降低，混凝土重力坝的坝体1对下部硬岩5和下游坝后岩体2的压力均大大降低，且混凝土重力坝的坝体1落于硬岩6上，大大提高了坝体1的稳定性和坝后岩体2的稳定性，且混凝土重力坝的坝体1对下游坝后岩体2的压力和坝体1的下部混凝土结构12与坝基岩层3的接触面近乎正交，使得坝后岩体2以正压为主，保证坝体1混凝土与坝后岩体2的良好结合。
其他未详细描述的部分均属于现有技术。

Claims (3)

1.布置岩前混凝土重力坝布置结构的方法，所述的岩前混凝土重力坝布置结构包括坝体(1)；所述坝体(1)包括上部混凝土结构(11)和下部混凝土结构(12)；所述上部混凝土结构(11)位于下部混凝土结构(12)上，其特征在于：所述上部混凝土结构(11)与坝后岩体(2)分离；所述下部混凝土结构(12)与坝后岩体(2)连接，且下部混凝土结构(12)与坝基岩层(3)的接触面为坡形阶梯；所述上部混凝土结构(11)和下部混凝土结构(12)的上游坝面(4)为斜坡形；所述坝基岩层(3)为硬岩(6)；
其特征在于：所述布置岩前混凝土重力坝布置结构的方法包括以下步骤：
1)初拟坝形：根据坝后高耸岩体的高度和坝基岩层的地形，对混凝土重力坝坝体(1)与坝后岩体(2)的结合高度、混凝土重力坝坝体(1)的上游坝面(4)的坡比及坡顶高程、混凝土重力坝坝体(1)的下部混凝土结构(12)与坝基岩层(3)的坡形阶梯接触面的各级阶梯的坡比及平台宽度进行设计，得到混凝土重力坝坝体(1)的初始坝形；
2)混凝土重力坝坝体(1)受力、稳定及变形分析：对步骤1)中混凝土重力坝坝体(1)的初始坝形进行抗倾和抗滑分析、混凝土重力坝坝体(1)与坝后岩体(2)的联合受力抗倾和抗滑分析、混凝土重力坝坝体(1)向坝后岩体(2)的正压传力分析以及混凝土重力坝坝体(1)的变形有限元分析；
3)混凝土重力坝坝体(1)的坝形调整：根据步骤2)的分析结果，对混凝土重力坝坝体(1)与坝后岩体(2)的结合高度、混凝土重力坝坝体(1)的上游坝面(4)的坡比及坡顶高程、混凝土重力坝坝体(1)的下部混凝土结构(12)与坝基岩层(3)的坡形阶梯接触面的各级阶梯的坡比及平台宽度进行调整；
4)参照步骤2)对步骤3)中调整坝形后的混凝土重力坝坝体(1)重新进行混凝土重力坝坝体(1)受力、稳定及变形分析；
5)重复上述步骤，直至整个混凝土重力坝坝体(1)落于硬岩岩层上，且混凝土重力坝坝体(1)的自重与混凝土重力坝坝体(1)的上游坝面(4)承受的上游水压力的合力与混凝土重力坝坝体(1)的下部混凝土结构(12)与坝基岩层(3)的接触面正交，使得混凝土重力坝坝体(1)与坝后岩体(2)处于正压状态，以得到混凝土重力坝坝体(1)稳定、坝后岩体(2)稳定、混凝土重力坝坝体(1)与坝后岩体(2)自然结合的混凝土重力坝坝体(1)的坝形。
2.根据权利要求1所述的布置岩前混凝土重力坝布置结构的方法，其特征在于：所述坝体(1)的重心与坝体(1)底部端侧的坝踵(5)的水平距离L2≥1/2坝宽L0。
3.根据权利要求1或2所述的布置岩前混凝土重力坝布置结构的方法，其特征在于：所述坝体(1)的重心与坝体(1)底部端侧的坝踵(5)的垂直高度H32≤1/3坝高H0。
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