貴州省松桃苗族自治縣妙隘水庫工程面板堆石壩設計

李婭，郭西方

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

貴州省松桃苗族自治縣妙隘水庫工程面板堆石壩設計

李婭，郭西方

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

混凝土面板堆石壩由于其良好的適應性、經濟性和安全性，在我國水庫工程中得到了較好運用。在貴州省松桃苗族自治縣妙隘水庫建設過程中，通過相關計算及方案比較合理確定了混凝土面板堆石壩壩體結構和分區。大壩于2015年10月中旬開始填筑，2016年底基本完工。

妙隘水庫；面板堆石壩；趾板；止水；分縫

1 工程概況

妙隘水庫工程位于貴州省東北角松桃苗族自治縣妙隘鄉平皋村，主要功能為農田灌溉、集鎮及農村人畜供水。水庫壩址以上控制流域面積18.7 km2，主河道長7.05 km，多年平均年徑流量1 634萬m3，多年平均年入庫泥沙量0.62萬t。水庫輸水設計流量0.45 m3/s，灌溉面積286.67 km2，供水人口17 506人。

妙隘水庫主要建筑物由鋼筋混凝土面板堆石壩、開敞式溢洪道、取水兼放空建筑物等組成。水庫為年調節水庫，正常蓄水位451.0 m，相應庫容為182萬m3；校核洪水位453.79 m，相應庫容為242萬m3；死水位438.0 m，相應庫容為28萬m3，原始調節庫容為154萬m3。

妙隘水庫為IV等小（1）型工程，主要建筑物級別為4級，設計洪水標準30 a一遇，校核洪水標準300 a一遇。施工總工期28個月，總投資1.56億元。

2 樞紐布置

2.1 壩址地形地質條件

壩址區河谷呈V形，河床地面高程427～428.6 m，主河槽寬20～30 m。兩岸山體渾厚，植被茂密。其中，左岸地形較陡，總體坡度53°；右岸地形較緩，總體坡度21°。河床覆蓋第四系全新統沖洪積砂卵礫石（Q42al+pl），厚度4.7～9.2 m；兩岸覆蓋有第四系全新統坡殘積碎石土（Q4dl+el），厚度0.5～3.5 m。

基巖地層為志留系中統石牛欄群一段（S2sh1），巖性為砂質頁巖、泥巖，局部夾少量粉砂巖。巖層產狀為NE45°～68°/SE∠25°～37°。壩基斷層不發育，兩岸邊坡強風化巖體下限深度2.5～12.0 m，弱風化巖體下限深度6.4～27.2 m；河床部位強風化巖體下限深度為7.0～7.3 m，弱風化巖體下限深度為11.2～17.9 m。壩址區地震基本烈度為6度。

2.2 樞紐平面布置

樞紐攔河壩采用混凝土面板堆石壩，緊靠右壩肩設開敞式溢洪道，為管理方便采用無閘門控制的開敞式。考慮進水條件及左右岸地形將取水兼放空建筑物布置于右岸，利用導流洞改造而成，取水口采用龍抬頭型式，包括進水渠（原導流洞頂）及事故檢修閘，導流洞內敷設明鋼管，出口設多功能調節閥室。

3 混凝土面板堆石壩設計

3.1 壩體剖面設計

大壩基本斷面為壩頂高程454.50 m、寬6 m、總長145 m，最低建基面高程419.5 m，最大壩高35.0 m，大壩上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.75，最大斷面寬度113.98 m。壩頂上游側設鋼筋混凝土倒T形防浪墻，墻高2.7 m，下游設防撞墩。下游壩坡設寬度為6 m、縱坡為8%的上壩公路作為場內永久交通道路。壩基土石方開挖10.2萬m3，壩體填筑16萬m3。

3.2 壩體分區及填筑設計

3.2.1 壩體分區設計

壩體分區設計遵循既滿足受力、滲流反濾要求又滿足簡單經濟的原則，從上游到下游依次為上游蓋重區1B（頂部水平寬度4.0 m、高程433.0 m，坡比1∶4.0）、墊層區2A（水平寬度3.0 m）、特殊墊層區2B、過渡區3A（水平寬度3.0 m）、主堆石區3B（上游坡比1∶1.4，下游坡比1∶0.5）、次堆石區3C（上游坡比1∶0.5，下游至下游壩坡）和排水區3D（頂高程不低于下游最高水位）、下游塊石護坡P（厚0.5 m），如圖1所示。

圖1 壩體剖面

3.2.2 壩體填筑設計

本工程主堆石料選用位于妙隘河右岸距壩址區約12 km的夾口灘料場灰巖料。由巖石試驗成果可知，料場巖塊天然密度平均值為2.71 g/cm3，飽和吸水率平均值為0.21%，飽和抗壓強度平均值為49.5 MPa，屬中硬巖，質量和儲量滿足筑壩條件。為充分利用開挖量，下游次堆石區采用溢洪道弱風化開挖料。

壩體各區填筑料技術參數要求見表1，壩體各區填筑碾壓參數及壩料質量控制要求見表2。

滲透系數/（cm·s-1）干密度/（g·cm-3）孔隙率/%細顆粒含量（D＜5 mm）/%黏粒含量（D＜0.075 mm）/%最大粒徑/mm材料分區蓋重區（1B）特殊墊層區（2B）墊層區（2A）過渡區（3A）主堆石區（3B）下游堆石區（3C）堆石排水區（3E）下游護坡（P）巖性開挖料人工破碎及篩分的料場灰巖料人工破碎及篩分的料場灰巖料人工破碎料場灰巖料料場灰巖料溢洪道弱風化開挖料料場灰巖料料場新鮮弱風化灰巖料填筑量/萬m31.38 0.65 1.52 1.42 7.06 3.07 0.91 0.30 2.25 2.25 2.18 2.18 2.07 2.12 17 17 20 20 22 22 35～55 35～55 5～10 5～10 6～15 4～8 4～8 0～5 0～5 0～5 0～5 40 80 300 800 800 800 n×10-3n×10-3n×10-2n×10-2n×10-3n×10-1

表2 壩體各區碾壓參數及質量控制要求

3.3 面板設計

本工程采用等厚面板，厚度0.4 m，底部最大水力梯度81.45，面積6 224 m2，澆筑混凝土量2 679 m3。面板混凝土標號為C25W10F100，為保證面板的抗裂性和耐久性，面板混凝土中摻入聚丙烯纖維并布置鋼筋，以承受混凝土溫度應力和干縮應力。施工中采用單層雙向鋼筋布置，在拉應力區、岸邊周邊縫附近及臨近周邊縫的垂直縫附近設雙層加強鋼筋。

為適應壩體變形，將面板分為12塊。根據地形地質條件及應力應變計算結果，并參照類似工程經驗，兩壩肩附近的面板為受拉區，分塊長度為7 m；其余部位的面板為受壓區，分塊長度為12 m。

施工中，采用擠壓邊墻的形式對墊層料進行防護、無軌滑模方式澆筑面板混凝土。擠壓邊墻為梯形斷面，采用一級配干硬性混凝土，其設計指標為：密度＞2.05 g/cm3，28 d抗壓強度＜5 MPa，滲透系數為n×10-3cm/s。為減少擠壓邊墻對面板混凝土的約束，擠壓邊墻與面板之間設“三油兩砂”，先施工“二油兩砂”用于壩體施工期臨時度汛，待混凝土面板施工前再施工最后一層乳化瀝青。

3.4 趾板設計

趾板基礎建于強風化巖體下部，為滿足水力梯度要求，寬度取4.0 m，厚度與面板厚度相同。趾板型式為連續式平趾板，不設永久縫，根據施工情況設施工冷縫，要求分塊跳倉澆筑，分塊長度不大于15 m。趾板混凝土標號為C25W10F100，其抗裂性及耐久性要求同面板混凝土。

趾板定線以“X”線為基準線，同時用于指導開挖定線。在“X”線的轉角處完成平板段與斜面段交角的變化，同時趾板體型在此段完成局部調整，以避免混凝土的錯臺。本工程在趾板轉彎處設連接段，從拐彎交點處各向后移3 m（在河床段后移1 m），各自形成垂直趾板的斷面，兩斷面間約6 m空間的連接段趾板為扭曲面，其余為平面。

3.5 接縫與止水

分縫的主要類型為周邊縫、面板垂直縫、防浪墻底縫、防浪墻伸縮縫、趾板與右壩肩擋墻間的水平縫等。垂直縫在距離趾板法線方向1.0 m范圍內，垂直于周邊縫布置。

垂直縫、周邊縫、防浪墻底縫及水平縫均設上下2道止水，頂部為柔性填料，起到防滲自愈、充填止水效果，以PVC棒嵌入V形槽內，底部為W形銅片止水（周邊縫為F形銅片止水），銅片止水下設墊片和瀝青砂墊層。周邊縫、垂直縫及防浪墻底縫的柔性止水互相連接，而且底部的銅片止水互相連接，各自形成封閉的止水系統。防浪墻每隔12 m分縫，設1道止水，并與防浪墻與面板間的水平縫止水構成封閉的止水系統。

3.6 壩基開挖及壩基、岸坡的連接及處理

3.6.1 壩基開挖

趾板下游0.3～0.5倍壩高范圍為低壓縮區，此范圍內松動、破碎巖體應全部挖除，開挖坡度不陡于1∶0.5，壩軸線上游除去低壓縮性區以外的其余部位應將妨礙堆石壓實的陡坎、倒懸體清除，或用貧混凝土、漿砌石等補成平順邊坡。壩軸線下游僅需清除覆蓋層。

3.6.2 壩基、岸坡的連接及處理

開挖揭露的不良地質如軟弱夾層、節理裂隙等，采取局部擴挖、追蹤后以C20素混凝土回填置換處理。上游堆石區與兩岸岸坡結合部采用2 m寬的過渡料鋪填，要求盡可能使振動碾沿岸坡方向進行碾壓，碾壓不到的局部區采用夯機夯實或小型振動碾壓實。

3.6.3 防滲設計

帷幕灌漿與固結灌漿相結合布置在趾板中部。帷幕灌漿孔共1排，孔距2 m，深入透水率5 Lu線5 m，左、右壩肩均延伸至正常蓄水位與地下水位相交處并至兩壩肩以外20和50 m。

3.6.4 固結灌漿

趾板范圍的基巖均進行固結灌漿。在帷幕灌漿線的上、下游各布置1排固結灌漿孔，孔距3.0 m，孔深5 m；為提高趾板與基巖的整體穩定性，趾板下設置φ25 mm錨筋，入巖深度為5.0 m，間、排距均為2.0 m。

3.7 壩體計算

3.7.1 滲流計算

采用《理正巖土系列軟件》（V5.5），利用有限元數值分析方法確定滲流場參數，對最大壩高剖面進行滲流計算，結果詳見表3。通過計算可知，做好混凝土防滲面板和基礎灌漿，壩體防滲是有保證的。

表3 大壩滲流計算成果

3.7.2 壩坡穩定計算

壩坡穩定分析使用中國水利水電科學研究院編制的《土質邊坡穩定分析程序—STAB2005》，采用線性和非線性2套參數對最大壩高剖面進行壩坡穩定分析，計算結果見表4—5。

表4 線性指標計算成果

表5 非線性指標計算成果

3.7.3 有限元方法應力應變分析

根據相關規范要求，中低壩可采用經驗方法估算壩體變形，本工程采用2種方法對壩體變形進行分析，方法一為利用已建壩的原型觀測成果來估算壩頂的沉降值；方法二為建立二維非線性有限元模型，參考類似面板壩鄧肯—張EB模型計算參數，模擬大壩填筑和水庫蓄水過程，進行應力應變分析。通過2種計算方法的計算成果比對可知，壩體沉降主要發生在施工期，總沉降量約為21 cm，其中由壩體自重引起的垂直沉降量主要發生在壩體垂直方向的中部，最大沉降量約為10 cm；蓄水期沉降量不大，約為5 cm，總沉降量小于最大壩高的1%。面板最大撓度為0.23 cm，壩體最大應力發生在壩體底部中央附近，壩體的最大第一主應力為642 kPa。

4 施工特點及質量控制

4.1 導流與度汛

導流建筑物設計洪水標準采用枯水期5 a一遇，相應洪峰流量為25.3 m3/s。本工程采用圍堰一次性截斷河床、上下游圍堰擋水的隧洞導流方案，導流時段共14個月，經歷1個汛期。上下游圍堰均采用土石圍堰，復合土工膜垂直防滲型式。

4.2 壩體填筑

4.2.1 填筑前的基礎清理

岸坡與壩體填筑料接觸段兩岸的有機物、表土、坡積物、砂、礫石、石渣等均須清除，直至出露基巖頂面；趾板及下游低塑性區（0.3～0.5倍壩高）外的基礎需清除表層覆蓋層，如礫石、坡積物等，直至出露基巖頂部。

4.2.2 壩體填筑過程和要求

趾板混凝土澆筑完成后進行墊層料及下游過渡料填筑，為確保填筑質量，填筑時應嚴格按照碾壓實驗提供的碾壓參數及孔隙率控制，為保證各層間良好的水力過渡，每車上壩料應具有良好的級配。

為保證面板均勻變形，壩體上游30 m范圍內的堆石區需平起填筑，下游可高于上游。在壩體上升過程中需對邊坡進行少量的開挖，以便與上升斷面材料混合同時進行壓實。

墊層料、過渡料及相鄰的主堆石料（過渡料下游4 m范圍內）填筑方法采用后退法，即：由下游向上游，先填1層主堆石，再填過渡料，最后填1層墊層料，堆石的平起高差不大于1層主堆石的厚度。為了保證料物之間的水力過渡，要求界面上的超徑石都要清除，即主堆石上游界面的超徑（粒徑大于30 cm）石清除后再填過渡料，過渡料上游面的超徑（粒徑大于20 cm）石清除后再填墊層料。超徑石的清除可通過反鏟及人工進行。墊層料、過渡料及相鄰主堆石料（過渡料下游4 m范圍內）的碾壓方法為：過渡料及墊層料1層鋪平后同時碾壓，墊層料、過渡料再鋪1層與其相鄰的主堆石齊平，3種料同時碾壓，碾壓時要騎縫。在每層墊層料碾壓完畢后，鋪筑下一層前都要確定好墊層區與過渡區的界限（石灰線），以保證各區料物之間的水力過渡，并形成斜面連接。

除墊層料、過渡料和過渡料下游4 m寬主堆石外，其余堆石料應采用進占法施工，施工時要確保各粒徑壩殼料混合均勻，以便形成良好的級配，防止出現架空現象。

壩體填筑完成后預留5個月沉降期，沉降基本完成后進行面板及壩頂施工。

5 結語

面板堆石壩具有壩坡穩定性好，承受水壓力性能好，施工期受氣候條件影響小等優點。妙隘水庫混凝土面板堆石壩在設計過程中根據堆石體各部分的工程特性，分別對材料的性質、最大粒徑、顆粒級配、干密度、透水性以及施工工藝提出不同的要求，以充分利用當地材料性能，降低工程造價，方便施工。根據大壩觀測資料，壩體預留的5個月沉降期內最大沉降量為3.4 cm，施工期總沉降量在設計估算范圍內，與設計基本相符。

TV62+1；TV641.4

A

1004-7328（2017）04-0024-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.008

2017—03—15

李婭（1982—），女，工程師，主要從事水工建筑物結構設計工作。