中国水电顾问集团华东勘测设计研究院 徐建荣 何明杰###。
【摘要】周公宅水库为一供水水库，坝址地形略显开阔，水库水位变幅大，拱坝最大坝高125.5m。采用多种方法，对周公宅拱坝体形、应力、坝肩稳定、基础处理等进行了研究分析C本文总结了拱坝设计的主要成果。
周公宅水库坝址位于宁波市鄞州区章水镇周公宅村附近，所处流域为甬江奉化江上的支流樟溪，距宁波市约51kιn。周公宅水库工程是一座具有供水、防洪结合发电等效益的综合利用的大（∏）型水利工程.坝址以上控制流域面积132k∏Λ多年平均流量4.70m3/s，水库总库容1.12亿nf，建成后最大限度地向宁波市提供优质水源。水库枢纽主要由拦河坝、泄洪及放空（水）建筑物、引水隧洞、地面发电厂房及开关站等组成。
周公宅水库坝址两岸山体雄厚，河谷断面为基本对称的宽“V”字形，山顶高程在350m以上，两岸山坡坡度35。~45。。河床宽一般35m~40m，地面高程120m~123m（吴淞高程，下同），正常蓄水位233m处河谷宽340m。两岸山坡多为基岩裸露，覆盖层浅薄。坝址出露主要地层为中生界侏罗系上统流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩、蚀变岩，局部燕山期岩脉侵入，以及少量第四系冲洪积和残坡积物。微风化熔结凝灰岩抗压强度较高，饱和极限抗压强度为120MPa~150MPa，变形模量为18GPa~25GPa0微风化蚀变岩饱和极限抗压强度为75MPa~85MPa，变形模量为13GPa~18GPa。
拱坝建基面的选择主要取决于坝基岩体质量和坝肩稳定。周公宅拱坝坝址出露的熔结凝灰岩和蚀变岩，多为弱风化岩，经浅层开挖后为岩质致密坚硬的微风化岩。建基面均置于微风化岩体，河床坝段建基面最低高程114.5m。
坝基开挖形成后，各坝段基础岩体均进行了超声波检测。河床坝段岩体质量等级属AⅡ~AⅡ1级，声波波速4393m/s~4900m/s;左岸坝段基础岩体质量等级基本为AⅡ级，各坝段波速一般为4381m/s~5496m/s;右岸坝段基础岩体质量等级为AⅡ~AⅢ1级，各坝段波速一般为4476m/s~5471m/s。两岸下游拱端嵌入深度为13m~30m。
拱坝体形采用抛物线双曲拱坝，通过多方案比较，调整拱圈各部位的曲率，达到坝体应力与坝肩稳定的协调。
坝址正常蓄水位233.0m处河谷宽高比为2.92。为适应河谷较宽、拱坝梁向应力相对较大的特点，拟定的拱冠梁适度前倾，同时适当加大中上部拱圈厚度，以降低上游高水位时的坝踵拉应力水平。但由于本工程为供水水库，供水死水位为147.00m，正常运行期最大水位变幅达86m，占坝高的75%。拱坝在死水位和温升组合时河床坝趾处受拉明显，为控制下游拉应力水平，拱冠梁不宜过于前倾，河床段悬臂梁上部适度后仰。
拱坝平面布置如图1所示，表1为拱坝体形几何特征参数。
表1 周公宅拱坝体形几何特征参数###。
图1 拱坝平面布置###。
周公宅拱坝的坝体应力分析以拱梁分载法为主，以浙江大学编制的ADAO程序为主要工具进行拱坝体形设计，并采用中国水科院ADASO程序和成都勘测设计研究院程序进行了复核。
（1）基本荷载组合下，坝体上游最大主拉应力由防洪高水位温升组合控制，其值为1.14MPa;坝体下游最大主拉应力由供水死水位温降组合控制，其值为l.11MPa；坝体下游最大主压应力由防洪高位温升组合控制，其值为6.36MPa；校核洪水位温升组合下，坝体上游最大主拉应力为1.18MPa，下游最大主压应力为6.43MPa。各种工况坝体上、下游面的最大主应力值均小于应力控制标准，坝体应力分布比较均匀，左右岸对称性好。
（2）按照水库初期蓄水计划及坝体浇筑、封拱灌浆高程，复核了不同时段坝体应力状态，应力均在控制标准之内。施工期遭遇百年一遇洪水时，上游最大主拉应力为1.13MPa，下游最大主压应力为6.51MPa，悬臂梁临时挡水时最大拉应力不超过0.5MPa，应力也在控制标准之内。(www.xing528.com)
表2为拱坝三维线弹性有限元应力等效应力分析成果，最大主拉、压应力基本满足应力控制标准。
表2 拱坝有限元等效应力成果###。
三维非线性有限元拱坝-基础整体安全度研究表明，拱坝超载系数为3~4。
坝址两岸山体雄厚，岩性以熔结凝灰岩为主，局部为蚀变岩。近坝下游虽有浅刻冲沟影响地形，但坝基开挖后均置于深部微风化岩体上，岩石致密坚硬，完整性较好，力学强度高，坝基岩体以Ⅱ类岩体为主，呈整体状〜块状，局部受断层及蚀变岩强烈影响带岩体属Ⅲ1类岩体。坝基地质构造简单，虽然两岸发育了F1、F26、F30、F23、F24、f1、f3、f6等，但断层规模小。右岸发育NW走向的辉绿岩脉，延伸至河床。缓倾角的结构面主要为节理面，多为胶结型结构面，少量为岩块岩屑型，延伸后可构成可能滑动块体的底滑面。
采用空间刚体极限平衡法，复核了可能滑动块体的稳定性。坝肩稳定由正常蓄水位温降组合控制，其最小安全系数为3.28，校核洪水位温升组合的最小安全系数为3.15。即使坝基排水孔失效，最小安全系数仍大于3.0，坝肩稳定能够得到保证。
大坝为混凝土双曲薄拱坝，坝体应力水平较高，提出了较严格的抗裂要求，不同部位混凝土对强度要求有所不同。综合考虑坝体应力水平、各部位工作条件和施工等因素，高程199.0m以下坝体为C9025W8F囱四级配混凝土，高程199.0m以上为C902OW8F100四级配混凝土，掺25%Ⅱ级粉煤灰。
拱坝横缝间距20m，布置22条横缝，共计23个坝段，最大浇筑仓面588m2。坝址区昼夜温差大，冬季寒潮频繁，大坝混凝土温控防裂难度较大。通过专题研究，提出了主要温控技术指标：约束区浇筑层厚1.5m~2m，浇筑层间歇期5~7d，脱离基础约束区浇筑层厚3m，浇筑层间歇期7d~12d。坝体内预埋冷却水管，混凝土收仓12h内开始初期冷却，以控制混凝土最高温度。在满足施工总进度和温差控制要求的前提下，择时开展中期冷却，一般采用河水，历时1~2月。后期冷却一般安排在秋冬季，将坝体温度降至设计封拱灌浆温度。要求混凝土浇筑完毕后，及时对表面进行养护，并采取了较为严格的混凝土表面保温措施。
右岸14#~15#坝段坝基范围出露蚀变岩，局部受B断层影响，此范围拱座进行了局部加深开挖，使拱座建基于下部较好的微风化岩体上，并在该范围增设了基础钢筋网。
与拱坝相关的断层规模均较小，一般宽度0.1m~0.5m。除F20与拱坝轴线夹角较小外，其余断层均与拱坝轴线大角度相交。对于基础表面宽度大于0.3m的断层，进行挖槽后作岩塞处理，挖槽深度为1.5倍构造带的宽度，挖槽后铺设钢筋网，回填混凝土塞，并根据断层情况适当加密固结灌浆。
坝基以微风化岩为主，但局部节理发育，开挖形成松动层。为加强拱坝基础整体性，对整个坝基面进行固结灌浆。为使拱端推力均匀地向抗力体扩散，通过斜孔灌浆方式将固结灌浆范围向坝踵上游和坝趾下游延伸一定范围。固结灌浆孔深8m~10m。各坝段Ⅰ序孔的单位吸浆量为11.53kg/m，Ⅱ序孔的单位吸浆量为2.82kg/m，灌后检查孔的单位吸浆量为0.97kg/m，吸浆量较小。
坝基岩体渗透性较弱，相对隔水层（q<lLu）埋深较浅。综合考虑岩体渗透性、两岸地下水位及作用水头等因素后，确定帷幕灌浆最大深度约60m。200m高程以下帷幕承受的水头大、渗径短，在坝体基础灌浆廊道上游侧布置主副帷幕灌浆孔各一排，高程200m以上则布置一排帷幕灌浆孔。两岸240.00m高程和200.00m高程各布置两条灌浆排水平洞，使主帷幕向两岸山体内延伸，并折向上游。帷幕灌浆最大灌浆压力3MPa。Ⅰ序孔单位注入量6.92kg/m，Ⅱ序孔单位注入量5.4kg/m，Ⅲ序孔单位注入量2.22kg/m，灌后检查孔的透水率均小于1Lu。
防渗帷幕和坝趾下游设排水幕，孔深为0.5倍主帷幕深度。在拱坝下游两岸坝肩内分别设置两层排水平洞，以降低抗力岩体中的地下水位，提高两岸坝肩的整体稳定性。
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