魯家壩水庫大壩加高擴建方案比選及結構計算

鄭 源

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

魯家壩水庫位于洛安江右岸支流魯家壩溝上游，地處匯川區團澤鎮蒲臺村境內，壩址距團澤集鎮4km，距遵義市中心城區32km。水庫位于魯家壩溝上游，壩址以上流域面積9.1km2，占全流域面積21.2%，河長5.97km，河道平均比降33.2‰，流域形狀系數0.255，壩址以上多年平均徑流量474萬m3。水庫現狀工程任務為供水為主，供水范圍為魯家壩灌區及團澤集鎮與周邊農村。

根據供水范圍需水量預測，至2030年團澤集鎮及周邊農村和農田灌溉共計需水量為290萬m3/a，而水庫現狀庫容系數11.8%，現狀供水量168萬m3/a，缺水量122萬m3/a，缺水率達到42.1%，缺水問題非常嚴重，且水庫汛期經常溢流，水資源利用不充分。結合現場踏勘及測繪、地質和地勘成果，經水資源供需平衡分析、大壩應力及穩定性分析等論證分析，綜合考慮充分利用現有樞紐建筑物，認為對魯家壩水庫加高具有壩址唯一性、技術可行性和工程投資經濟性。水庫加高后大壩為粘土心墻壩，最大壩高32.5m，正常蓄水位898.00m，相應庫容226萬m3，水庫總庫容281萬m3為小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等。

2 大壩加高方案比選

2.1 壩址選擇

魯家壩水庫運行多年，壩前淤積深度較深，若在庫區內新建擋水樞紐，基礎處理復雜且不能利用現有樞紐，工程投資大，所以不宜在上游另選壩址。大壩下游至魯家溝匯河口約300m，兩岸地形條件差，該段無可選壩址，故不宜在下游另選壩址。因此魯家壩水庫加高工程依然在原壩址進行，壩址具有唯一性。

結合測繪、地質、勘探等成果，經地形地貌、地質條件和供水能力等分析[1]，水庫庫區成庫條件較好，加高后主要存在沿庫區中前段右岸槽谷表層溶蝕發育帶向鄰谷滲漏和庫首淺表部以及繞壩肩溶隙型滲漏問題。另外，現有大壩為粘土心墻壩，存在防滲效果較差及局部壩基滲漏量大等問題，水頭抬高后存在滲漏可能，但采取一定的防滲工程措施處理后具備加高條件。因此，利用現有壩址加高大壩擴建方案具有壩址唯一性和技術可行性。

2.2 樞紐建筑物比選

2.2.1 壩型比選

鑒于現有壩體為粘土心墻壩，故可選壩體加高僅限于柔性壩加高。因混凝土防滲面板和趾板對基礎要求較高，在土壩加高工程應用該壩型有較大安全隱患，另其沉降周期較長，不利于水庫盡早發揮效益，故不選擇混凝土面板堆石壩而選擇土壩加高[2]。

土壩加高又因壩體防滲體材料不同，大致分為粘土、瀝青混凝土、混凝土等，也可在上游面采用土工膜進行防滲。其中瀝青混凝土防滲體因總體方量較小、施工工藝相對復雜、質量受氣候影響較大、施工進度難于控制等因素影響，工程現狀匹配性較差；混凝土防滲體造價高、溫度控制要求高、剛性特點對基礎變形適應能力差等因素，也不選擇。結合壩體質量評價，大壩局部壩段存在滲漏及填土指標變化較大、均一性較差等問題，加高后水位上升會導致滲漏量變大，存在安全隱患且處理難度大，故不宜利用大壩現有心墻作為大壩防滲體的一部分。同時，壩基肩現有防滲體系也不能滿足水庫加高要求，需重新設置壩體及壩基肩防滲體系[3]。土工膜防滲體會因基礎沉降及壩體不均勻沉降帶來土工膜撕裂而出現失效和壩基肩不能形成封閉防滲體等問題，同時土工膜需待壩體沉降基本完成后鋪設，工期較長且使用壽命難達到工程安全使用年限等缺點，雖其投資較省，但安全隱患較大，易出現安全事故，故不推薦使用。根據勘察優選的5個天然建筑材料場和大壩現狀筑壩材料及結構，設計優選黏土料填筑量較小的粘土心墻壩和粘土斜墻壩兩種壩型進行方案比選，壩殼采用白云巖料填筑。

2.2.2 樞紐建筑物比選

2.2.2.1 粘土心墻壩方案

此方案樞紐建筑物由粘土心墻壩、右岸溢洪道及右岸取放水建筑物等組成。粘土心墻壩大壩剖面，如圖1所示。

2.2.2.2 粘土斜墻壩方案

此方案由粘土斜墻壩、右岸溢洪道及右岸取放水建筑物等組成。除大壩防滲體為粘土斜墻與粘土心墻不一樣外，溢洪道布置、取水兼放空隧洞布置完全一致。粘土斜墻壩大壩剖面，如圖2所示。

結合水庫大壩結構現狀及施工工藝等因素進行分析，論證結果表明：

(1)粘土斜墻施工工藝較復雜，且若斜墻防滲失效，后續補救措施復雜，不易處理；且該方案需對原壩體進行削坡處理，對原壩體干擾較大，施工程序復雜[4]。

(2)粘土心墻施工工藝簡單，施工經驗豐富。若防滲失效，后續補救措施相對簡單，容易處理。且因心墻基礎置于原人飲管道高程以下，在開挖過程中能將該管道滲流通道進行隔斷，防滲體后移+帷幕灌漿形成的帷幕體系將安全可靠的保證大壩安全。

圖1 粘土心墻壩大壩剖面圖

圖2 粘土斜墻壩大壩剖面圖

運用條件計算水位/m波高h5%/m波長L/mP=5%爬高R5%/m壩頂超高/m計算壩頂高程/m正常運用條件1898.000.5356.3250.9091.41899.41正常運用條件2900.180.5356.3250.9051.41901.59非常運用條件900.920.3224.2140.5720.87901.79

(3)粘土心墻壩較粘土斜墻壩投資省131.25萬元，具備安全可靠、投資較省、防滲補救措施簡單等優點，故加高設計優選粘土心墻壩壩型。

3 粘土心墻壩結構布置

3.1 大壩樞紐布置

大壩樞紐建筑物由粘土心墻壩、右岸溢洪道及右岸取放水建筑物等組成。大壩為混凝土預制塊護坡粘土心墻壩，溢洪道為岸邊開敞式側槽溢洪道，布置于大壩右岸。取放水建筑物利用導流建筑物改造而成，于大壩右岸。對原壩體采取充填灌漿處理、對壩基肩采取防滲帷幕處理，拆除原壩身放水涵洞進出口設施并回填水泥砂漿。

3.2 大壩結構設計

大壩現狀上游壩面砼預制塊護坡質量良好，設計考慮利用。大壩加高段上游面設計壩坡為1∶2.2，下游面設計壩坡為1∶2。加高后大壩為粘土心墻壩，最大壩高32.5m，壩頂長145m、寬5.0m。壩頂高程901.50m。心墻頂厚3.0m，自上而下逐漸加厚至6.5m，心墻上下游坡比均為1∶0.2。心墻河床段底部高程875.50m，頂部高程901.19m。在壩殼料與心墻之間設砂石料過渡反濾層，其依次由厚0.5m細砂層和厚0.5m碎石層構成。壩頂上游側設帶防浪欄板的青石欄桿兼做防浪墻，防浪欄板頂頂高程902.60m，下游側設青石欄桿。

溢洪道位于大壩右岸，緊靠壩體一側布置，為岸邊開敞式側槽溢洪道，包括引水渠段、側槽段、調整段、泄槽段、消力池段、出水渠段，出水渠段順接下游河道，總長176.1m。

取放水建筑物利用右岸導流建筑物改造而成，由閘井段、取水兼放空隧洞(洞內穿管)及出口閘室段組成。隧洞總長171.0m。

4 粘土心墻壩結構設計計算

4.1 壩頂高程確定

根據調洪計算成果，魯家壩水庫校核洪水位900.92m，設計洪水位900.18m，正常蓄水位898.00m，經量算水庫計算吹程D=0.7km。據氣象統計，多年平均最大風速11.8m/s，計算風速分別為：正常情況17.7m/s；校核情況11.8m/s。根據SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》,壩頂高程計算得壩頂超高Y=1.411m(正常蓄水位)、1.407m(設計洪水位)、0.872m(校核洪水位)。壩頂高程計算考慮兩種工況：①正常蓄水位+正常運用壩頂超高；②校核洪水位+非常運用壩頂超高[6]。計算得各工況條件下壩頂高程成果，見表1。

根據SL 274—2001規定“當壩頂上游側設有防浪墻時，壩頂超高可改為對防浪墻頂的要求。在正常運用條件下，壩頂應高出靜水位0.5m；在非常運用條件下，壩頂應不低于靜水位”。結合表1并考慮大壩沉降，設計取壩頂高程901.50m；防浪墻高出壩頂1.1m，墻頂高程902.60m。

4.2 大壩滲流及壩坡穩定計算

4.2.1 大壩滲流計算

根據設計大壩剖面圖、鉆探資料、洪水成果及采用的壩體粘土滲透系數：K1=5×10-4cm/s(壩體壩殼料填筑層)、K2=1.0×10-5cm/s(粘土心墻)進行計算。計算模型為：有限深透水地基(深5.0m)上心墻壩的滲流計算；計算工況為：①校核洪水位900.92m(p=0.2%)、下游水位為874.45m工況；②設計洪水位900.18m(p=2%)、下游水位為873.50m工況；③正常蓄水位898.00m、下游水位為873.00m工況。采用北京理正軟件設計研究院編制的《理正巖土系列軟件6.5版》之《理正滲流分析軟件》進行分析[7]，滲流計算成果見表2。

表2 滲流計算成果表

從表2可知，大壩單寬滲漏量較小，大壩浸潤線滲流坡降較緩。按太沙基公式計算得：壩體滲透比降為J=0.38，小于壩體允許滲透比降J=0.40，不會發生滲透破壞，壩體滲流性態滿足規范要求。

表3 壩坡穩定計算成果(簡化畢肖普法)

4.2.2 壩坡穩定分析

大壩為心墻壩，根據SL 274—2001規定，壩坡抗滑穩定計算應采用剛體極限平衡法[8- 10]。采用北京理正軟件設計研究院編制的《理正邊坡穩定分析軟件》進行計算，分析得不同荷載組合工況下的上、下游壩坡穩定計算成果，見表3。

從表3可知，壩坡抗滑穩定最小安全系數為1.23，發生在上游900.92m(下游874.45m)校核洪水位工況的下游壩坡，滿足規范要求，壩坡穩定性好。

5 結論

為確保魯家壩水庫大壩加高擴建工程設計方案具有較高技術可行性和經濟優越性，對建壩壩址、壩型及防滲體、樞紐布置和大壩結構等進行詳細論證及設計，優選與大壩現狀匹配性好、防滲結構適宜性強和樞紐布置合理的設計方案。

(1)大壩現為粘土心墻壩，故壩體加高僅限于柔性壩。經施工工藝、筑壩工程量和防滲體質量等條件對比分析，優選充分利用現有壩體結構、施工工藝較簡便、工期和投資經濟指標較好的粘土心墻壩方案。

(2)經大壩滲流及壩坡穩定性分析，計算結果表明：在不同荷載組合工況條件下，不會發生滲透破壞，壩體滲流性態及壩坡穩定安全系數均滿足規范要求。