桂花園水電站大壩壩型比選及設計分析

向 陽

（宜昌市水利水電勘察設計院有限公司，湖北 宜昌443000）

1 工程概況

桂花園水電站位于宜昌市秭歸縣境內，為近期首開項目之一。控制流域面積60km2，河道長2km，屬小（1）型工程，設計水庫正常蓄水位602.00m，總庫容773.02萬m3，興利庫容569.2萬m3，設計發電裝機2×1000kW。

水庫建成后，使下游梯級電站具有良好調節性能，有效改善秭歸縣電網供電質量和提高供電保證率，對增加地方財政收入、改善當地居民生活和生產的用水、用電等意義重大。本文主要對桂花園水電站大壩的壩型設計進行分析。

2 大壩壩型比選

2.1 壩線

由于桂花園水電站壩線出露地層為泥質粉砂巖，布置拱壩崁巖過深，開挖量大，且巖層厚度不滿足要求，故上壩線布置拱壩方案和下壩線布置拱壩方案不成立。

由于左岸岸坡溢洪道出口沖坑正好位于石倉滑坡坡腳，有滑坡危險，威脅溢洪道，則下壩線若布置混凝土面板堆石壩方案也被淘汰。

通過綜合分析，桂花園水電站大壩壩型可選擇的方案有：上壩線重力壩；下壩線重力壩；上壩線混凝土面板堆石壩［1］。

2.2 壩線比較與選擇

通過分析，3種壩線方案在交通條件、水能利用、水庫淹沒、運行管理等方面基本一致，不再做比較。本文對部分進行分析，如表1。

表1 3種壩線方案比較

由表1可知，下壩線重力壩投資最大，從經濟性考慮淘汰；上壩線混凝土面板堆石壩和重力壩經濟性差不多，但堆石壩在總體布置、施工條件存在較大問題，故淘汰。因此確定桂花園水電站設計上壩線重力壩（混凝土重力壩）為最終施工方案［2］。

3 大壩壩頂高程與基礎加固

3.1 壩頂高程

壩頂高程是最重要的設計參數之一，相關計算如式（1）［3］。

式中 Δh為防浪墻頂與水庫正常蓄水位高差（m）；hb為波高（m）；hz為波浪中心線至水庫正常蓄水位高差（m）；hc為安全超高（m）。

經計算，桂花園水庫各工況風浪爬高、風浪壅高、壩頂高程如表2。根據計算結果，取606.80m作為本項目壩頂高程。

表2 壩頂高程 單位：m

3.2 大壩基礎加固

3.2.1 壩基加固方案確定

經地質勘查，桂花園水電站壩基巖體為泥質粉砂巖，巖層傾下游，產狀12°∠45°，壩址處發育反傾向裂隙。為保證壩基穩定性，設計對建基面以下6～7m進行固結灌漿處理，要求固結灌漿范圍為壩基面向上下游各延伸1m［4］。

3.2.2 固結灌漿參數確定

本項目設計灌漿鉆孔呈梅花形布置，孔距和排距均3m，孔徑53mm。灌漿方式為三序孔全孔一次性灌注（如圖1）［5］，必須注意灌注順序，灌漿壓力控制在0.2～0.5MPa。為保證灌漿質量，要求設計現場試驗，灌漿參數可根據地質條件的不同而適當調整。

圖1 梅花形三序孔示意圖

3.3 壩肩帷幕灌漿

3.3.1 壩肩加固

桂花園水電站兩岸壩肩巖性是相對不透水泥質粉砂巖，兩岸山體雄厚，但地下水位高，為防止繞壩滲漏問題，設計采取延伸帷幕灌漿施工處理。

根據鉆孔情況，左壩肩灌漿帷幕向山體延伸15m，右肩灌漿帷幕向山體延伸30m。為避開右岸沖溝，帷幕向壩軸線上游20°方向延伸，兩岸帷幕深度按小于3lu以下3m控制［6］。

3.3.2 帷幕灌漿參數確定

（1）帷幕灌漿沿壩軸線單排孔布置，孔距2.5m，按三序孔逐漸加密施工。施工工序：鉆孔→沖孔→壓水試驗→灌漿→灌漿結束封孔。

（2）灌漿孔采用150型地質鉆機施工，防滲帷幕深度按q<5Lu確定，并深入控制高程以下不少于5m，全孔灌漿結束后，用硬性水泥砂漿封堵。帷幕灌漿總體布置如圖2。

圖2 大壩帷幕灌漿總體布置

3.4 壩基抗滑穩定性驗證

3.4.1 計算工況

（1）工況1（基本組合）：設計（正常）水位工況，壩體自重＋上下游靜水壓力＋泥沙壓力＋揚壓力＋浪壓力。

（2）工況2（偶然組合）：校核水位工況，壩體自重＋設備自重＋上下游靜水壓力＋泥沙壓力＋揚壓力＋動水壓力＋浪壓力。

3.4.2 穩定性驗證

壩基抗滑穩定安全系數如式（2）：

式中 K為抗滑穩定安全系數；f為壩體混凝土與壩基接觸面磨擦系數，取0.6；∑W為壩體全部荷載對滑動平面的法向分值（kN）；∑P為壩體全部荷載對滑動平面的切向分值（kN）。

地基應力如式（3）：

式中 σy為壩踵、壩趾垂直應力（kPa）；∑w為作用于壩段全部荷載在壩基截面上法向力總和（kN）；∑M為作用于壩段全部荷載對壩基截面形心軸力矩總和（kN）；A為壩基截面積（m2）；x為壩基截面上計算點到形心軸的距離（m）；J為壩基截面對形心軸的慣性矩（m4）。

壩基抗滑穩定安全系數、地基應力計算成果如表3。

表3 抗滑穩定及應力計算成果

計算結果表明： 桂花園水電站壩基最大應力在溢流壩段校核水位工況下壩趾處產生，為2195.96kPa，地基應力計算結果均小于地基承載力2MPa（泥質粉砂巖），抗滑穩定安全系數滿足設計要求。

4 結語

桂花園水電站經過綜合比選確定了上壩線混凝土重力壩的施工方案，對壩基、壩肩加固及壩基抗滑穩定性等進行了針對性分析，在實際應用時還需緊密結合現場試驗以確定最佳參數。