丹竹水庫攔河大壩壩型比選及設計要點分析

胡德保，查恩堯

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510220）

1 工程概況

丹竹水庫為新建水庫樞紐工程，位于廣西岑溪市岑城鎮思孟村丹竹嶺頭附近，距離岑溪市城區4km。該水庫由大壩、溢洪道、輸水隧洞、輸水管線等組成。大壩壩址處控制集雨面積43.13km2，多年平均流量0.93m3/s。設計水庫校核洪水位149.49m，總庫容396萬m3，正常蓄水位148.00m，興利庫容305萬m3。工程及建筑物級別如表1。

表1 丹竹水庫工程等別、建筑物級別

2 壩型方案比選

丹竹水庫選定壩址河床寬30～70m，河床高程112.23～111.60m，兩岸山頂高程180.5～203.5m，壩線與河道斜交，交角30°，河床寬30m，左岸坡度1°～40°，右岸坡度30°～40°，兩岸風化較深，覆蓋層較厚，無不良地質作用，具備建壩基本條件。

2.1 壩型初步篩選

根據選定壩址地形、地質條件，首先排除拱壩壩型；壩址附近（10km以內）難以找到石料場，因此排除面板堆石壩。下面重點考慮土壩和重力壩兩種壩型。

2.1.1 均質土壩

土壩對基礎要求不高，河底河卵石層厚2m，可開挖清除。壩址上游處有1座小沖溝，可布置排洪道。此外，通過地質勘探得知壩址附近巖石風化較深，土料儲量豐富，運距近，可降低工程造價。另外，由于壩址附近缺乏黏土，應排除黏土心墻壩和黏土斜墻壩，因此，土壩壩型按均質土壩來考慮。

2.1.2 重力壩

重力壩對基礎地質要求遠比土壩高，按正常蓄水位148m考慮，其最大壩高已超過40m，壩址處強風化云母片巖承載力特征值0.6MPa，不能滿足應力要求，必須挖至弱風化層［1］。此時，重力壩最大壩高將達到50m，壩頂長250m，混凝土方量30萬m3。若采用漿砌石雖可降低造價，但施工進度較慢，且質量難以控制。因此，重力壩壩型按埋石混凝土（埋石率20%）重力壩來考慮。

2.2 壩型初步設計和比選

2.2.1 方案1（均質土壩初步設計）

若丹竹水庫采用均質土壩，設計最大壩高42.50m，壩頂長222.0m，壩頂寬7.00m。大壩上、下游壩坡均由上而下分兩級，坡比分別為1∶2.5，1∶2.75。下游壩腳設置堆石排水棱體，排水棱體長217m，頂寬3.0m，頂高程122.00m，內外坡坡比均1∶1.5。溢洪道布置于大壩左岸開挖的山體，輸水隧洞布置在大壩右岸山體內［2］。

2.2.2 方案2（埋石混凝土重力壩初步設計）

為避免洪水淹沒庫區左岸高速公路，設計丹竹水庫重力壩按閘壩方式布置。中間設置溢流段，溢流段堰頂布置工作閘門3扇、檢修閘門1扇，閘孔尺寸10 m×5m，溢流凈寬共30.0m。初擬閘底高程143.0m，閘頂高程148.5m，閘壩正常蓄水位148.0m。閘壩段上部設工作橋、啟閉排架。左、右壩段擬采用埋石混凝土重力壩接入兩岸山體［3］。

綜合對比結果如下： ①方案1比方案2總投資省6195.9萬元；②均質土壩能充分就地取材，工期短；③方案1在施工期間對周邊環境及農田作物影響小。最終，經過比較后選用均質土壩作為丹竹水庫大壩施工方案。

3 大壩設計要點分析

3.1 壩頂高程復核

壩頂超高按式（1）計算［4］，通過計算最終取丹竹水庫均質土壩壩頂高程150.50m，防浪墻頂高程151.00m。

式中 Y為壩頂超高；R為平均波浪爬高（m），采用累積頻率5%；A為安全加高，設計水位取0.5m，校核水位取0.3m；k1為斜坡的糙率滲透性系數，取值0.8；k2為經驗系數；Hm為水域平均深度（m）；Lm為平均波長（m）；m為單坡坡度系數，取2.5。

設計水位和校核水下的水庫壩頂高程計算結果如表2。

表2 丹竹水庫壩頂高程 單位：m

3.2 大壩結構設計

3.2.1 壩體主體填筑設計

3.2.1.1 填筑材料設計

丹竹水庫大壩設計填筑材料為黏土質砂，黏粒含量范圍6.8%～8.2%，內摩擦角＞23°，凝聚力C值＞15kPa，滲透系數0.6～1.0×10-4cm/s（碾壓后），有機質含量＜5%。壩體填筑土塑性指數7～17，水溶鹽含量＜3%，最佳含水量設計8%，pH＞7，碾壓后壓實度≥96%［5］。

3.2.1.2 填筑施工設計

均質土壩施工簡單，丹竹水庫壩體填筑設計全部采用機械化施工，利用20t自卸汽車運料，用推土機推平，設計分層填筑，每層厚度不得超過500mm。按設計壓實度選用16t振動碾分層碾壓密實，局部用打夯機及人工夯實。

3.2.2 壩頂和護坡設計

3.2.2.1 壩頂設計

上游壩頂設C20混凝土防浪墻，墻高0.50m、寬0.40m；設計在壩頂鋪設泥結石路面，厚度20cm，基層為級配碎石厚度20cm，路面設計2.5%橫向坡，向下游側放坡。下游側路肩采用C20混凝土路肩，斷面尺寸50cm×80cm（寬×高），護肩頂部與壩頂高程持平。

3.2.2.2 護坡設計

本次設計迎水面壩坡采用干砌石護坡，護坡高程自壩腳護至壩頂。變坡高程137.00m，在此處設計2m寬馬道，在馬道設計C15混凝土防滑齒墻1道，齒墻寬1m，高1.50m。按設計坡度修整壩坡后先鋪筑砂墊層厚300d（d=0.5~5mm），后鋪筑碎石墊層厚200d（d=5~20mm），再砌筑35cm厚干砌石護坡［6］。

下游坡變坡高程137.00m，同樣設計寬2.0m馬道1條。在馬道內側設M7.5漿砌石排水溝，壩頂與排水棱體頂的交通由3m寬步級連接，下游壩坡設草皮護坡。下游壩腳設置堆石排水棱體，長217m，頂寬3.0m，內外坡坡比均1：1.5。排水棱體采用干砌塊石堆筑而成，棱體頂部采用C20混凝土壓頂，厚15cm，棱體底部及干砌石與壩坡間做反濾層，反濾層厚0.6m，由3層粒徑不同的砂石料鋪筑而成，沿滲流方向砂石料粒徑由小逐漸加大。在壩坡、壩腳設排水溝，并分別在左、右壩坡集水溝、下游坡腳集滲溝內設三角形量水堰，觀測大壩滲流量。大壩結構示意如圖1。

圖1 大壩結構示意

4 壩體滲流及抗滑穩定性驗證

4.1 壩體滲流穩定性計算

本工程根據地質勘探，大壩按不透水地基上均質土壩模型進行分析。設計采用“滲流有限元法”軟件進行滲流計算。計算工況水位包括：①正常工況：上游水位148.00m，下游水位110.00m；②設計工況：上游水位148.48m，下游水位110.44m；③校核工況：上游水位149.49m，下游水位110.66m；④水位驟降工況：水位從149.49m驟降至143.00m。

4.1.1 臨界坡降計算

本工程土體的滲透臨界流土坡降計算如式（2）。

式中 Jc為滲透臨界流土坡降；Gs為土粒比重；γ為水的容重；n為填土孔隙率；K為安全系數，取值2。

4.1.2 滲流計算成果分析

本工程大壩在正常蓄水位工況下的浸潤線如圖2（其他工況圖省略），計算成果如表3。

圖2 大壩滲流計算成果（正常蓄水位）

表3 丹竹水庫大壩滲流計算成果

根據大壩剖面流網形態分析，在正常、設計、校核及水位驟降工況下，大壩的計算浸潤線均從下游排水棱體逸出，對壩坡穩定有利。從大壩的滲透坡降值看，當庫水位在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位及水位驟降時，大壩計算斷面壩體滲透坡降分別為0.303，0.388，0.432，0.432，均小于臨界流土坡降值0.47，說明大壩不會發生流土破壞，滲流穩定性滿足要求。

4.2 壩體抗滑穩定性分析計算

根據相關規定，丹竹水庫大壩屬4級建筑物，在正常運用條件下壩坡抗滑安全系數不得小于1.25；在非常運用條件Ⅰ下，壩坡抗滑安全系數不得小于1.15；在非常運用條件Ⅱ下，壩坡抗滑安全系數不得小于1.10。

本項目采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法計算抗滑安全系數K，具體如式（3），計算結果如表4。

式中 W為土條重量；u為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b為土條寬度；с′，φ′為土條底面的有效應力抗剪強度指標；ρ為土的實際加權平均密度；h為土條高度。

K值計算結果如表4。

表4 大壩上、下游壩坡抗滑穩定計算結果

由表4可知，丹竹水庫大壩上游壩坡K值范圍在1.47～1.63，下游壩坡K值范圍1.26～1.55，均大于標準值，因此壩體抗滑穩定性符合規范要求。

5 結語

經上述分析，確定丹竹水庫大壩的具體壩型及基本結構，通過軟件模擬、公式驗算等分析說明壩體的滲流穩定性和抗滑穩定性均滿足規范要求，其大壩投入使用后，運行穩定良好，取得了較好的經濟和社會效益。