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龙首水电站碾压混凝土拱坝结构设计

摘 要：龙首水电站位于甘肃张掖黑河中游，地处西北高温高寒高震地区，针对特殊的地质及气候特点，龙首碾压混凝土薄拱坝在体形设计和抗震、抗冻、抗裂、抗渗等结构设计方面进行了详细的研究，提出了独特的设计方案，现大坝已建成并安全运行，实践证明效果良好。本文着重对龙首碾压混凝土薄拱坝体形设计和结构设计进行介绍。

关键词:龙首水电站 碾压混凝土薄拱坝 结构设计

1 工程概述

龙首水电站工程位于甘肃省张掖市西南约30km黑河干流出山口的莺落峡峡口处，坝址以上控制流域面积10009km，多年平均流量50.4m/s，电站总装机容量52MW，年发电量1.836×10KW.h，最大坝高80m，水库正常蓄水位1748.00m，总库容1320×10m，属中型三等工程。大坝、引水及厂房为3级建筑物。该电站主要任务是发电。

该流域地处西北内陆腹地，属大陆性气候，夏季酷热，雨量稀少，蒸发强盛，冬季严寒，最大冻土深度1.5 m。多年平均降水量为171.6mm，多年平均年水面蒸发量为1378.7mm，平均气温为8.5℃，极端最高气温37.2℃，极端最低气温-33.0℃。

坝址区地震基本烈度为Ⅷ度。

分布于坝基坝肩的断层共有12条，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25～40m，基本与河流平行，倾角69°～87°，倾向岸内，此二断层之间10m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型交切岩体裂隙，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1～7.5m，强风化0～3m，弱风化深7～10m。

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、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。

2 大坝平面布置及结构设计

坝址处左岸有一古河道阶地，阶地地面高程1722m左右，基岩微风化线约 1697m高程，基岩顶板出露高程约 1704m，覆盖层厚约 17m，阶地左侧地面坡度较陡基岩出露。阶地右侧为主河道，河床高程 1680m，基岩微风化线约 1652m高程，主河道两岸 1720m高程以下

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岸坡为 50°～70°陡崖，基岩出露。右岸 1720m高程以上覆盖层较厚,基岩顶板平缓。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47.16m；主河道设碾压混凝土拱坝，拱坝轴线长140.84m；右岸1720m高程以上基岩顶板平缓，拟设推力墩，推力墩顶长29.32m，整个大坝坝顶全长217.32m。

（1）拱坝体形

拱坝共作了抛物线、单心圆两种双曲拱坝体形，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。体型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。（详见附图2拱冠剖面）

拱坝坝顶高程1751.50m，最大中心角94.58°，最小中心角54.79°，最大曲率半径54.5m，最小曲率半径32.75m，坝顶最大弧长140.84m，最大坝高 80.0m，坝顶厚度 5.0m, 坝底厚度13.5m，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6.83×10m，最大仓面面积为1028.5m，在1720m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，结果详见控制应力汇总表；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。

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附 图2

（2）重力坝

重力坝坝高54.5m，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1697.0m高程以上左拱端的稳定，其体型设计应能满足刚度、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30.0m，坝底宽65.43m，下游坝坡为1:0.65，坝底高程1697.00m，坝顶长47.16m（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10.8×10m。从计算结果看，压应力较小，一般为0.4-1.1MPa，下游面局部角点有3.8MPa的压应力，沿岸坡周边有1.1～1.18MPa的拉应力，拱端接触面上游部位产生0.3～0.4 MPa的拉应力，其余部位拉应力均较小。

（3）推力墩

控 制 应 力 汇 总 表

最大主压应力（MPa） 及发生部位 工况① 工况② 工况③ 工况④ 工况⑤ 3.43 4.05 3.82 3.58 4.06 最大主拉应力（MPa） 及发生部位 1690.0拱冠左侧 1700.0左拱端 1700.0拱冠 1700.0拱冠 1751.5左拱端 最大剪应力（MPa） 及发生部位 1.30 1.24 1.41 1.44 1.45 1680m左拱端 1680m左拱端 1680m右拱端 1710m右拱端 1710m左拱端 43

1710m拱冠左侧 1.19 1710．0左拱端 0.97 1710．0拱冠 1.27 1720m拱冠右侧 1.39 1710．0左拱端 1.54 推力墩布置于右岸1720.0m高程以上，高31.50m，体型主要由稳定控制，经计算确定，坝顶宽14.50m，坝底宽30.25m，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N W 36.17，坝顶长29.32m（沿坝轴线方向），推力墩混凝土体积为2.1×10m。

3 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，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）实践经验来看，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

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