舊院水庫混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計研究

鄧文強，吳海寬

(貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

舊院水庫壩址位于六枝特區(qū)新場鄉(xiāng)舊院村，距六枝特區(qū)公路距離36km，是一座具有灌溉和城鎮(zhèn)供水的綜合性水庫。壩址以上集水面積57km2，多年平均來水量4570萬m3，正常蓄水位1451m，總庫容1458萬m3，興利庫容1049萬m3。工程主要由混凝土面板堆石壩、右岸岸邊溢洪道、左岸取水建筑物、混凝土面板堆石副壩、提水泵站、灌溉管道和輸水管等組成。工程等別為Ⅲ等，永久性主要建筑物級別為3級，次要永久性建筑物為4級；水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，最大壩高為41.5m。水庫建成后，可平均每年提供1153萬m3農(nóng)田灌溉用水，同時可向六枝中心城區(qū)提供1241萬m3生活和生產(chǎn)用水，這將大大緩解六枝特區(qū)的新場鄉(xiāng)、巖腳鎮(zhèn)及六枝城區(qū)用水緊張的矛盾。

舊院水庫屬峽谷型水庫，河谷為非對稱的寬緩“U”型谷，階地不發(fā)育，河流較直。壩區(qū)存在滑坡、松動卸荷帶及崩塌堆積體等不良地質(zhì)現(xiàn)象[1]。壩區(qū)地形不完整，右岸存在沖溝，出露巖層以軟質(zhì)巖為主，巖體較破碎，存在巖溶管道滲漏、軟弱夾層發(fā)育、抗滑穩(wěn)定性差等問題。為確保大壩整體具有較高安全可靠性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性，將結(jié)合工程特性和壩址地形地質(zhì)條件，合理對混凝土面板堆石壩的樞紐布置、壩體經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)斷面和結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以期獲得較優(yōu)設(shè)計方案，為工程施工建設(shè)提供重要設(shè)計技術(shù)指導(dǎo)[2,3]。

2 壩址地形地質(zhì)條件

舊院水庫建庫河段處于山盆期剝?nèi)芪g谷地上，壩址河谷呈寬“U”型谷，主要為砂頁巖組成的剝蝕地貌地形。壩區(qū)出露地層從新到老為：第四系(Q)、二迭系中統(tǒng)棲霞組(P2q)、下統(tǒng)梁山組(P1l)和石炭系上統(tǒng)馬平群(C3mp)。壩址位于墮卻背斜東翼，除右岸舊院埡口有F1平移斷層通過外，其余無大的斷層分布，壩址總體為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀N46°～81°W/NE∠25°～43°，傾下游偏左岸，河谷總體近似于橫向谷。壩區(qū)軟弱夾層廣為分布，其中二迭系下統(tǒng)梁山組(P1l)砂、頁巖地層中最發(fā)育，其次為二迭系中統(tǒng)棲霞組第一段(P2q1)灰?guī)r夾含炭質(zhì)砂質(zhì)頁巖。壩區(qū)強弱含水層相間分布，從下游至上游，依次為強巖溶含水層(P2q2)、弱巖溶含水層(P2q1)、相對隔水層(P1l)、強巖溶含水層(C3mp)，地下水為巖溶裂隙、溶洞水，基巖裂隙水。壩區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為滑坡、松動卸荷帶及崩塌堆積體。

壩址處河流流向N25°E，河床高程1417m。左岸為較單薄的山脊地形，地形坡度30°～40°，右岸為較陡直的山脊地形，坡度20°～75°。左岸為P1l砂頁巖組成的剝蝕地貌地形，右岸為P1l2與P2q組合的剝蝕與溶蝕地貌特征，兩岸沖溝、丫口較發(fā)育，地形相對破碎。河床以及左壩肩出露地層主要為深灰色、灰黑色中厚層石英砂巖夾薄層砂質(zhì)頁巖，為硬巖夾軟巖類，強風(fēng)化厚5～8m；右壩肩1440m高程以上至山頂局部基巖裸露，為P2q灰?guī)r夾砂質(zhì)頁巖、含炭質(zhì)砂質(zhì)頁巖，地形陡峭，為硬巖夾軟巖類，強風(fēng)化厚3～6m。

趾板開挖至建基面后，地基持力層為P1l1-2中厚層砂巖夾頁巖、P1l2-1炭質(zhì)頁巖、P1l2-2泥灰?guī)r、灰?guī)r夾頁巖、P2q1灰?guī)r夾頁巖，處于強風(fēng)化中下部或弱風(fēng)化巖體上，總體屬BⅣ類及CⅤ類巖體，巖層軟硬相間，變形模量低且差異大，屬不均勻地基，應(yīng)作補強處理。強風(fēng)化帶巖體透水性較大，在長期較高水頭壓力作用下，加之所處巖質(zhì)較軟，有滲透變形的可能性，建議進(jìn)行加固處理。強風(fēng)化帶巖體透水率大，存在淺層滲漏問題，其主要滲漏形式為壩基裂隙性滲漏及繞壩滲漏，必須進(jìn)行防滲處理[4]。堆石區(qū)開挖至建基面后，屬Ⅴ類巖體。

壩址區(qū)地層傾向下游略偏左岸，單斜構(gòu)造，自然邊坡穩(wěn)定。趾板開挖后下游側(cè)為逆向坡，邊坡穩(wěn)定性較好，上游側(cè)屬順向坡，邊坡穩(wěn)定性較差，應(yīng)作削坡或支護(hù)處理。

3 混凝土面板堆石壩首部樞紐布置

首部樞紐由主、副壩面板堆石壩、右岸開敞式溢洪道及左岸導(dǎo)流、放空兼取水三合一有壓隧洞等組成。

3.1 混凝土面板堆石壩

主壩采用混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計，壩頂長184.03m，壩頂高程1454.50m，建基面高程1413.00m，最大壩高41.50m，壩頂凈寬6.8m，壩底最大寬度106.127m。上、下游壩坡均為1∶1.3。由于主壩右岸山勢較高，開挖后將形成高達(dá)40m左右的高邊坡，同時主副壩交通連接較為困難，因此擬將右岸山體從上至下分臺階分別開挖至1457.00和1454.50m高程，開挖的棲霞組灰?guī)r可部分作為主副壩壩體下游次堆石區(qū)的填筑材料。

副壩位于1季節(jié)性“V”型溝谷處，距主壩右岸60m。副壩壩頂高程1454.50m，建基面高程1417.00m，壩頂長113.19m，最大壩高37.50m，壩頂凈寬6.8m，上、下游壩坡均為1∶1.3，壩體趾板寬度為4.0m。壩軸線以下右岸存在崩塌堆積，考慮將崩塌堆積體全部清除后再回填次堆石區(qū)石料。

3.2 開敞式溢洪道

右岸溢洪道為開敞式溢洪道，布置在主壩與2#副壩之間的次堆石區(qū)料場開挖臺階上，一級臺階(公路上游)高程1457.00m，二級臺階(公路下游)高程為1454.50m，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎組成，總長157.43m。進(jìn)水渠長37.73m，進(jìn)口采用“八”字型喇叭口，前緣寬度39.74m，底面高程1446.00m。溢洪道堰頂高程為1451.00m，溢流前緣凈寬為20m，設(shè)兩孔，上設(shè)交通橋連接主、副壩交通，溢流堰采用WES實用堰，后接泄槽段，出口采用挑流消能。

3.3 導(dǎo)流、放空兼取水三合一隧洞

導(dǎo)流、放空兼取水隧洞布置在主壩左岸，為有壓隧洞，由進(jìn)口明渠、導(dǎo)流進(jìn)口、導(dǎo)流洞及出口明渠組成。進(jìn)口明渠長26.0m，導(dǎo)流洞進(jìn)口由喇叭口收縮至矩形斷面3.5m×4.4m(寬×高)，洞身為圓形，洞徑尺寸為3.0m，導(dǎo)流隧洞長275.5m，洞內(nèi)坡降為7‰，出口明渠段長30.0m。取水設(shè)施利用施工導(dǎo)流洞進(jìn)口采用“龍?zhí)ь^”形式改建而成，塔式進(jìn)水口底板高程1428.00m，采用喇叭口型式，進(jìn)口設(shè)移動式攔污柵，井筒高34.50m，頂部高程為1454.50m，閘門孔口為1.5m×1.5m，閘門后設(shè)置DN500的通氣孔。

4 混凝土面板堆石主壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1 壩頂高程

水庫位于對稱寬緩“U”形峽谷區(qū)，經(jīng)調(diào)洪計算得壩體的校核洪水位為1454.08m(P=0.1%)，設(shè)計洪水位為1453.12m(P=2%)，正常蓄水位為1451.00m。水庫風(fēng)區(qū)長度(吹程)D=1.5km，正常運用條件下設(shè)計風(fēng)速為22.5m/s，非常運用條件下為15.0m/s。根據(jù)SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，大壩建筑物為3級，正常運行工況安全加高為0.7m，非常校核運行工況為0.4m[5- 6]。對于3級土石壩，采用累計頻率P=5%的風(fēng)浪爬高值。采用官廳水庫公式，計算得壩頂高程成果見表1。

圖1 舊院水庫混凝土面板堆石主壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

計算工況水庫靜水位/m壩頂超高y/m防浪墻頂高程/m校核洪水位1453.971.5911455.561設(shè)計洪水位1453.052.4831455.553正常蓄水位1451.002.4831453.483

根據(jù)表1成果，綜合考慮大壩沉降問題，壩頂高程控制指標(biāo)為校核洪水位加非常運用條件下的壩頂超高，設(shè)高1.2m防浪墻，確定防浪墻頂高程為1455.70m，壩頂高程為1454.50m。

4.2 大壩標(biāo)準(zhǔn)橫剖面

舊院水庫主壩壩高41.5m，為中壩?？紤]施工期需滿足面板滑模安裝要求，運行期需滿足交通人行及觀測要求，擬定壩頂凈寬6.8m。壩頂高程1454.50m，壩頂長度184.03m，壩頂寬6.8m，其上游側(cè)設(shè)高1.2m的“L”型C20鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程1455.70m，頂寬0.6m，底部高程為1452.0m，底寬4.1m。上游側(cè)設(shè)1m寬的交通、觀測及檢修平臺。防浪墻每隔12m設(shè)一道伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)銅片止水。墻后為頂部高程1454.50m的混凝土交通路面，路面凈寬6.8m，厚0.4m，下部分別為0.4m厚的碎石墊層和細(xì)石填料。路面下游側(cè)設(shè)C20鋼筋混凝土擋墻，墻高為1.0m。壩體下游面采用60cm厚的塊石堆砌護(hù)坡。施工中由推土機將塊石推至下游壩邊緣，使大面朝坡外，以斜坡尺檢查合格后用小石將大塊石楔緊即可。壩體分區(qū)從上游到下游分別為墊層區(qū)(趾板下游側(cè)增設(shè)特殊墊層區(qū))、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)及下游次堆石區(qū)。面板后墊層水平寬3m，在趾板下游側(cè)設(shè)置特殊墊層區(qū)。過渡區(qū)為墊層區(qū)與主堆石區(qū)的過渡區(qū)域，水平寬3m，底寬15m，頂高至1452.00m。主堆石區(qū)為面板的主要支撐體，在壩軸線上游側(cè)除墊層區(qū)和過渡區(qū)外均為主堆石區(qū)。為了充分利用主壩右岸1454.50m以上山體和溢洪道等建筑物開挖石料，在壩體下游部位上部設(shè)置次堆石區(qū)，該部位變形對面板影響較小，且對石料和填筑要求較低[7]。主石料場位于大寨沖溝右岸山體，距壩址不到1.0km。墊層料設(shè)計干容重為2.17g/cm3，孔隙率18.00%。過渡料選用料場人工破碎灰?guī)r料，設(shè)計工程量為1.42萬m3，設(shè)計干容重為2.143g/cm3，孔隙率19.00%。主堆石料采用料場灰?guī)r爆破開挖料，設(shè)計工程量為11.1萬m3，設(shè)計干容重為2.117g/cm3，孔隙率20%。下游次堆石區(qū)可采用主壩右岸1457.00m高程山體和溢洪道控制段以及泄槽段開挖料，擬定最大粒徑為1000mm，設(shè)計工程量為7.56萬m3，設(shè)計干容重為2.09g/cm3，孔隙率21%。下游護(hù)坡料采用20kg以上的塊石，形狀大致平整能起到穩(wěn)定作用即可，巖塊應(yīng)堅硬耐風(fēng)化。舊院水庫混凝土面板堆石壩主壩標(biāo)準(zhǔn)斷面，如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)代面板壩的實踐經(jīng)驗及DL/T5016- 2011、SL228- 2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，上游面采用0.4m等厚混凝土面板，坡比1∶1.3。面板采用單層雙向鋼筋布置，即在面板截面中部設(shè)一層雙向筋，每向含筋率為0.4%，配φ20間距20cm的鋼筋網(wǎng)。

為適應(yīng)壩體變形，對面板進(jìn)行分縫[8]。根據(jù)澳大利亞利斯壩、墨西哥阿瓜密爾巴壩以及我國天荒坪壩的設(shè)計理念，混凝土面板采用等寬面板，河床受壓區(qū)和兩岸受拉區(qū)均每隔12m分一條縫，即左岸(受拉區(qū))分為5塊，河床(受壓區(qū))分為6塊，右岸(受拉區(qū))分為4塊。

4.3 壩體變形計算

根據(jù)DL/T5016- 2011、SL228- 2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定[9,10]：“100m以上高壩或地形地質(zhì)條件復(fù)雜的壩，壩體應(yīng)力和變形宜用有限元計算。其他的壩，可用經(jīng)驗方法估算壩體變形”。舊院水庫主壩最大壩高為41.5，用經(jīng)驗方法估算其變形。采用《混凝土面板壩工程》(蔣國澄等主編，湖北科學(xué)技術(shù)出版社)推薦經(jīng)驗公式進(jìn)行估算，即根據(jù)已建壩的原型觀測成果來估算壩頂?shù)某两抵?，計算公式為?/p>

(1)

式中，S2—待建壩的預(yù)計沉降值；S1—已建壩原型觀測的壩頂沉降值；E2—待建壩的變形模量；E1—已建壩的變形模量；H2—待建壩的壩高；H1—已建壩的壩高。

選已建的塞沙那壩作為參考大壩，經(jīng)計算得舊院水庫結(jié)果壩頂沉降量成果，見表2。

表2 壩頂沉降量估算表

表2可知，施工期和蓄水期壩體總沉降量為0.20m，蓄水期壩體沉降量為0.049m，為總沉降量的24.5%，說明壩體垂直變形主要發(fā)生在施工期。

4.4 壩基處理

在趾板與基巖連接部位，為了提高趾板基礎(chǔ)的整體性，提高抗沖蝕能力，需進(jìn)行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿孔共2排，孔距3m，排距3m，矩形布置，孔深5m。

5 結(jié)語

舊院水庫是六枝特區(qū)巖腳鎮(zhèn)、新場鄉(xiāng)及六枝城區(qū)重要的灌溉和供水工程，屬峽谷型水庫。壩址區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，受構(gòu)造影響地表溶蝕溝槽、洼地和溶洞發(fā)育。為確保水庫大壩具有較高安全可靠性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合項目地形地貌、水文地質(zhì)、筑壩材料和施工等條件，通過對樞紐建筑物布置進(jìn)行多次優(yōu)化調(diào)整，合理布設(shè)與工程特性相匹配的混凝土面板堆石壩。

(1)壩址區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主壩存在淺層裂隙風(fēng)化型滲漏，庫首左岸埡口存在淺層強風(fēng)化帶滲漏等問題，通過深挖回填、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等處理措施，可改善成庫條件。

(2)結(jié)合庫區(qū)地形地質(zhì)條件，綜合筑壩材料、施工條件和投資經(jīng)濟(jì)效益等，優(yōu)選主副壩、右岸溢洪道及左岸導(dǎo)流、放空兼取水三合一有壓隧洞等組成的混凝土面板堆石壩方案。

(3)根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合各種荷載組合，最終確定壩頂高程1454.50m，防浪墻頂高程1455.70m。施工期和蓄水期壩體總沉降量為0.20m，壩體垂直變形主要發(fā)生在施工期為0.151m，需要加強施工期的質(zhì)量監(jiān)控和變形監(jiān)測。

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