水庫工程復合土工膜風化料土石壩初步設計優化研究

摘 要：水庫復合土工膜風化料土石壩，最大壩高25.5m，其壩基地質條件較復雜，需在初步設計階段對壩體結構、布置等進行詳細分析。結合工程地形地質條件，樞紐設計通過在河中游發過河匯口下游約20m處建壩抬高水位，并在右壩肩設開敞式寬頂堰泄流，在右壩段設放水管向下游酒廠供水。經多次優化調整后，樞紐布置、大壩結構體形等均滿足《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）的有關規定，方案技術上可行，經濟上優越，建議及早實施。

關鍵詞：復合土工膜；土石壩；初步設計

1 工程概況

某水庫位于淤泥鄉，距淤泥鄉政府所在地約2km，在壩線下游約0.8km處有鄉村公路經過，交通條件便利。工程的主要任務是解決大壩下游約1km處的酒廠生產、生活用水和村居民生活用水，年設計供水量為26.7萬m3。水庫壩線以上集水面積0.9km2，多年平均徑流量45.4萬m3。水庫正常蓄水位為1905.00m，正常蓄水位以下庫容22.5萬m3，興利庫容19.9萬m3，死庫容2.59萬m3，為多年調節水庫，設計洪水位為1906.14m，校核洪水位為1906.61m，水庫總庫容25.7萬m3。水庫樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、取水放空建筑物等組成。擋水建筑物為復合土工膜碾壓風化料土石壩，最大壩高25.5m；泄水建筑物為壩頂開敞式溢洪道，溢流凈寬6m；取水建筑物為壩內取水管，直徑300mm。工程規模為小（2）型，工程等別為Ⅴ等[1]。

2 壩線地形地質條件

壩線段長約800m，溪流流向約197°；壩段河谷為較開闊的不對稱“V”字型谷，河谷寬35m，河床高程1883-1888m，設計正常高水位1905.0m時，谷口寬約96m，寬高比4.8，左岸山頂高程1940m，地形坡度25-35°，山體較寬厚，坡面較平整，地形起伏差異較小；右岸山頂高程1923m，地形坡度角20-45°，受壩線下游右岸溪溝切割，形成一較單薄的山脊地形，岸坡地形相對連續，地形約向山內凹陷。壩段下游側河谷較狹窄，上游側較寬緩，壩軸線下游100m有一跌坎，跌坎高約6m，其下至岔溝段河床地形均較陡。

壩址區覆蓋層較厚，基巖零星出露。覆蓋層為殘坡積粉質粘土夾碎石，表層結構較松散；下部相對密實，為深灰色塊狀峨眉山玄武巖組（P2β）泥巖，厚度約1m；壩址河床覆蓋層厚4.9m，左岸覆蓋層厚3.6m、強風化厚24.8m，右岸覆蓋層厚3.0m，強風化厚32.9m；壩址區無斷層等構造發育，巖體較完整，具備成庫建壩條件。

3 復合土工膜風化料土石壩樞紐布置

根據壩址區出露的地形地質條件，河床寬高比較大，覆蓋層較深，壩址適宜建當地材料壩，同時對周邊調查無粘性土分布。壩軸線位于發過河匯口下游20m，通過開挖大壩上游前端正常蓄水位以下的山體風化料作為填壩材料，壩頂高程1907m，最大壩高25.5m，大壩上游坡比1：2.5，下游壩坡1：2.0，上游坡面設砼預制塊護面和土工膜防滲層，下游設草皮護坡和壩腳設堆石棱體排水。溢洪道布置在右壩肩，采用開敞式自由泄流方式；放水管布置在左壩段，采用壩內設鋼管輸水。

4 復合土工膜風化料土石壩結構優化設計

4.1 壩頂高程

根據調洪計算成果，水庫校核洪水位1906.61m，設計洪水位1906.14m，正常蓄水位1905.00m，死水位1892.00m。庫區多年平均最大風速12m/s；最大風區長度0.3km，與壩軸線夾角約0°。按規范（SL274-2001）中規定的水庫公式來計算波浪爬高R及風雍水面高度e。壩頂安全超高A按規范（SL274-2001）中表5.3.1取為0.5m（正常情況）和0.3m（非常情況）。計算得壩頂高程成果為：防浪墻頂高程的計算值最大為設計水位工況，即計算防浪墻頂高程最大為1907.424m，設計取防浪墻頂高程1908.00m，壩頂高程1907.00m，防浪墻高出壩頂1m。

4.2 壩體輪廓設計

4.2.1 壩頂設計

按規范（SL274-2001）要求，壩頂寬5～10m為低限，但本壩已低于規范（SL274-2001）的實用范圍，且壩頂有交通要求，參照類似工程，本工程取壩頂寬為5m，上游側設寬0.2m防浪墻，下游側設高1.0m不銹鋼欄桿，壩頂作25cm碎石墊層+15cm瀝青混凝土路面。

4.2.2 防浪墻高度

目前，國內設計的工程防浪墻高度一般為3～6m左右，本工程為滿足防浪墻底高于正常蓄水位的要求，選定防浪墻底高程1908.00m，壩頂上游側設“L”型鋼筋砼防浪墻和擋墻，防浪墻高選為1.15m，高出壩頂路面1.0m。

4.2.3 上下游壩坡

工程屬于挖庫筑壩工程，由興利調節計算結果可知，為滿足供水要求，在正常蓄水位1905m以下需要挖出9.5萬m3庫容，考慮到挖庫放坡，經計算總挖方量為11.2萬m3，扣除剝離料及弱風化巖體，經分析開挖料利用率為86%，筑壩可利用風化料約9.6萬m3。經計算，大壩上游壩坡取1：2.5，相應坡角21.8°，下游壩坡取1：2.0時，相應坡角26.57°，大壩滲流及壩坡穩定計算成果滿足規范要求。此設計斷面壩體填筑料需求量為92200m3，庫內多余開挖料直接運至渣場堆放。大壩下游設置排水棱體，坡度1：1.5，相應坡角33.7°。

4.3 壩體結構分區

推薦壩型為復合土工膜防滲土石壩，按照筑壩材料及功能從上游到下游將壩體分為上游保護層、土工膜上墊層、防滲復合土工膜、下墊層、風化料填筑體、下游護坡及排水棱體等。上游保護層：由8cm厚預制塊組成；上墊層：土工膜上墊層由一層粗砂和一層碎石組成。與土工膜直接接觸層為中砂，厚10cm，粗砂與上游保護層之間設一碎石墊層，厚15cm，起保護土工膜及與上游保護厚過渡的作用；防滲復合土工膜：防滲土工膜采用聚乙烯（PE）復合土工膜（兩布一膜），膜厚0.5mm，土工膜重300g/m2，即規格：300g/0.5mm/300g；下墊層：土工膜與風化料填筑壩體之間，采用一層厚15cm的中砂作為土工膜下墊層；風化料填筑體：由去掉耕植土層的風化土石料組成，為大壩主體部分；下游護坡：采用草皮護坡；排水：由膜下排水、壩底排水及壩腳排水組成。膜下排水主要由復合土工膜的復合布及下墊層組成，壩底設多孔PE（外裹土工布）排水管，壩腳設排水棱體。

4.4 壩體防滲結構

防滲結構主要由防滲齒墻及PE復合土工膜組成。防滲齒墻由C20砼構成，其下部與壩基帷幕灌漿相連接、上部與土工膜相連接，形成封閉的防滲體系。齒墻厚2m，高3m，置于強風化中上部。上游壩面鋪設復合土工膜采用橫鋪法進行鋪設，上游坡面設4道抗滑齒槽，齒槽間距為6m（沿壩坡方向），齒槽底寬0.8m，在齒槽上端留50cm折疊以作伸縮。復合土工膜與周邊連接采用砼槽固結將土工膜嵌固在砼齒墻內，在連接位置設土工膜伸縮接。

5 結束語

水庫工程復合土工膜風化料土石壩優化設計中，根據壩址地形地質條件，結合大壩建基面和壩體結構布置及現場施工等因素，推薦采用復合土工膜防滲風化料土石壩。通過在河中游發過河匯口下游約20m處建壩抬高水位，并在右壩肩設開敞式寬頂堰泄流，同時在右壩段設放水管向下游酒廠供水。項目經濟效益滿足國家對項目投資的基本要求、工程建成后能滿足設計供水要求，社會效益突出。

參考文獻

[1]范宇輝.尾礦庫工程中土石壩設計的可行性[J].水利科技與經濟，2013，（04）：46-47.

[2]孫福霞.水庫土石壩設計重點內容分析[J].中國水運：下半月，2012（02）：142-143.

作者簡介：劉慎凱（1985-），男，貴州興義市人，本科，助理工程師，主要從事水利水電工程設計工作。