關于紅巖水庫粘土心墻石碴攔河壩設計探討

陳華俊

（云南省保山市萬潤水利電力勘測設計有限公司，云南 保山 678000）

1 工程概況

保山市隆陽區紅巖水庫工程等別為Ⅲ等，主要建筑物大壩、溢洪道、輸水隧洞為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物，臨時建筑物為5級，工程按Ⅷ度設防。

大壩軸線為直線布置，壩頂高1459.00m，防浪墻頂高1460.00m，心墻頂高1458.06m，最大壩高61.00m，壩頂寬8.00m，壩頂長176.1m。壩址海拔高程為1398m，控制徑流面積約62.6 km2，水庫庫區特征水位、庫容及下泄流量等主要參數詳見表1［1］。

表1 庫區主要水位、庫容及下泄流量表

壩基巖體為灰質白云巖和白云巖，層狀結構，多呈弱風化狀，勘探孔巖心采取情況表明，巖體相對完整，壩基承載力滿足設計要求。基巖上覆第四系松散層，堆積疏松，具中～高壓縮性，厚度不均勻，存在壓縮變形及不均勻沉陷。據試驗及工程地質類比法，壩基巖體主要參數指標為：濕抗壓強度為54mP a，密度 γ＝2.5 g／cm3，抗剪強度 φ＝38°～41.5°，C＝75～140 k P a，地基承載力f a k＝1.5～2.5mP a。壩址兩岸自然邊坡穩定性可靠，產生整體滑動導致大壩失穩的可能性不存在。

2 設計要點分析

該攔河壩是建造在灰質白云巖和白云巖等層狀結構上的堆石壩，在設計過程中，要根據壩體及心墻填筑料適應壩基不均勻沉降的能力，進行堆石壩心墻類型比較選擇；又要考慮水庫水位變化頻繁、驟降速度快等特點，充分做好壩體排水、粘土心墻及壩基反濾工作；此外，壩基防滲處理是設計中至關重要的環節，與大壩兩岸邊坡的接頭處理也是該工程大壩系統設計的關鍵問題，現就該粘土心墻堆石壩工程設計過程的要點進行相應的探討。

3 壩體結構及心墻類型的確定

大壩壩基多為弱風化狀的灰質白云巖和白云巖，層狀結構，且周邊天然石料資源豐富，相比于混凝土重力壩，采用堆石壩的工程造價會顯著降低。心墻堆石壩對基礎要求相對較低，堆石沉降對心墻影響也相對較小，所以心墻堆石壩比較適合紅巖水庫大壩的實際情況。心墻堆石壩方案根據防滲心墻材料的不同，可考慮粘土心墻與鋼筋混凝土心墻堆石壩兩種結構類型，現將其優缺點比較列表如下，見表2。

表2 兩種心墻類型方案優缺點比較

從上表可知，從施工工藝，結構可靠性及工程投資等方面綜合比較來看，采用粘土心墻堆石壩方案作為紅巖水庫大壩的結構設計方案。

4 攔河壩設計

4.1 結構設計

壩體結構分為心墻防滲土料區，布置于壩軸線位置，采用大壩上游的粘土防滲料填筑；上、下游壩殼石渣料區，采用壩址右岸紅巖頭料場的灰質白云巖風化石碴料填筑。

（1）壩頂上游側設防浪墻，墻頂高出壩頂1.0m，為混凝土“L”型防浪墻，墻厚0.3m，墻體設置沉陷縫，間距12m，縫寬3 cm，內填瀝青砂漿；下游路肩設C 15混凝土預制塊路肩石。

（2）心墻防滲體上、下游坡比均為1︰0.25，頂寬3.0m，頂部高程1458.06m，心墻防滲體底最大開挖高程1398.00m，軸線底設有寬6.0m，厚0.8m 的C 15混凝土灌漿蓋板。心墻基巖開挖面采用0.3m厚C 15混凝土襯砌。心墻防滲體上游側與壩殼料之間設有兩層水平寬度均為1.5m的反濾層，下游側與壩殼料間設有兩層水平寬度均為2.0m的反濾層。反濾層與底部水平褥墊相接，水平褥墊底部高程為1398.50m，頂部高程為1404.00m，厚5.5m，其中：上、下各兩層為碎石及砂過渡層，厚度均為0.5m，中間一層為3.5m厚的中、小粒徑塊石填筑。壩腳采用堆石棱體排水，棱體頂部高程1404.00m，寬2.0m。棱體底部嵌入基巖，高程1399.0m，棱體后設集水溝和排水溝匯流排水。

（3）大壩上游設三級變坡，從上而下分別為1︰2、1︰2.2、1︰2.4。坡高分為15m、14m 和16.52m，變坡處設2.0m寬戧臺，壩下游設四級變坡（含棱體），從上至下分別為1︰1.8、1︰2.0、1︰2.2和1︰1.5（棱體），坡高分別為15m、14m、26m 和6.5m（棱體）。變坡處設2.0m寬馬道。

（4）上游護坡采用厚0.12m的C 15混凝土預制塊護砌，護坡范圍從壩頂至度汛壩體頂部1430.00m；下游壩坡整體采用固土網格植草護坡。在下游每個馬道平臺內側設0.3m×0.4m的砌石排水溝。上、下游壩面均設有2.5m寬的砌石上壩階梯。

壩頂路面為C 15現澆混凝土路面，下墊30 cm厚干砌塊石墊層，并按i＝2%傾向下游。

（5）壩體觀測設施。滲透觀測：平行于壩軸線設4排14孔測壓管，孔深合計422.1m。

沉陷水平位移觀測：平行于壩軸線分別沿戧臺，壩頂布置29個位移標點，岸坡設14工作基點，14個校核基點。

滲流流量觀測：將壩體滲水匯至壩腳集水溝，設三角堰觀測。

4.2 基礎及邊坡處理

（1）壩基防滲處理：壩基防滲與水庫整體防滲統一沿壩軸采用灌漿帷幕防滲，壩基段灌漿帷幕長166m，兩岸坡及河槽均為接地式帷幕灌漿，灌漿深度至相對隔水層灌漿孔沿壩軸線布置，灌漿采用混凝土蓋重板，要求先灌漿再填筑，蓋重板采用C 15混凝土，寬6m，厚0.8m，灌漿材料采用純水泥漿。

（2）壩體與壩基、岸坡的連接：心墻河床部位開挖至高程1398.00m，心墻、反濾層基礎置于強風化巖體內1～2m，清基深度3～10m。岸坡段心墻清基自下而上，由深至淺，置于強風化頂界巖體內，心墻部位左岸開挖邊坡平均坡比1︰1.57；右岸開挖邊坡平均坡比1︰0.95。開挖后對心墻部位的開挖邊坡進行現澆C 15混凝土襯砌，厚30 cm。固結灌漿孔設置于心墻底部混凝土板上，帷幕灌漿線的上、下游，固結灌漿孔孔距3.5m，排距3.5m，孔深5m，梅花形布置。灌漿壓力2～5 k g，以不抬動混凝土板為原則。

上、下游壩殼石渣料區清基開挖，開挖深度0.8～1.5m，主要清除表層植被、殘坡積和突出或松動危巖。與壩體連接的岸坡削成斜面，對于巖石岸坡，削坡不陡于1︰0.75，土質岸坡不陡于1︰1.5。

5 攔河壩設計參數復核計算

5.1 壩料設計

（1）心墻防滲粘土料：根據在料場取原狀樣、擾動樣進行土工試驗的結果，土料屬紅粘土，其物理力學指標滿足防滲體土料質量指標要求。心墻防滲粘土料的設計值取值詳見表3。

表3 心墻防滲粘土料的設計值

（2）壩殼石渣料：根據對各類擾動樣進行物理力學試驗的結果，壩殼石渣料的設計取用值詳見表4。

表4 壩殼料設計取值

5.2 設計計算

（1）壩坡穩定分析計算：采用簡化畢肖普法進行分析，中國水利水電科學研究院（S TA B 95）土石壩壩坡穩定分析程序進行計算，壩坡穩定分析采用的物理力學指標見表5；上游壩坡考慮了2種基本組合，3種特殊組合，下游壩坡考慮了2種基本組合，3種特殊組合，不同荷載組合下的壩坡穩定計算成果見表6。

表5 壩坡穩定分析（壩料）物理力學指標

表6 大壩抗滑穩定安全系數計算成果表

分析成果表明，各種荷栽組合下壩體結構滿足穩定要求。

（2）沉降計算：壩體沉降量采用分層總和法計算，對心墻和壩殼分別進行計算。

心墻沉降量：按公式（1）計算，采用壓縮曲線分層進行，施工期沉降量按最終沉降量的80%考慮［2］，分六層計算，壩體最大斷面的沉降量估算見表7。

表7 壩體最大斷面的沉降量估算結果

壩殼沉降量：壩殼沉降量量采用e－t o g p曲線進行計算，施工末期沉降量按最終沉降量的80%考慮，計算分5層，壩殼最大斷面沉降量估算見表8。

表8 壩殼最大斷面沉降量估算結果

通過分別對心墻，壩殼沉降量的估算結果表明，大壩竣工后心墻與壩殼最高處對應的沉降量為21 cm，心墻與壩殼的沉降差僅為16 cm，且心墻與壩殼間尚有2～4m厚反濾料過渡，紅巖水庫大壩不會因不均勻沉降而導致破壞。

6 結 語

通過對保山市隆陽區紅巖水庫工程粘土心墻石碴攔河壩的設計與實施建設，對促進當地完善水利設施和發展經濟的可持續發展意義重大。根據相關的評價結論，工程建設不在環境敏感區，建設過程中不存在制約性環境因素，根據相應要求采取對策措施后，項目建設的設計合理性、環境友好性、實用經濟性獲得了統一。

［1］紅巖水庫工程初步設計報告［R］.2007，5

［2］碾壓式土石壩設計規范SL274－2001［S］

［3］水利水電建筑工程驗收規程SL223－1999［S］