貴州省開陽縣三岔河水庫混凝土拱壩設計

羅 居 劍

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

三岔河水庫工程位于貴州省開陽縣龍崗鎮(zhèn)小谷光村，烏江三級支流三岔河的中下游，是一座以供水、灌溉為主的III等中型水庫[1]。水庫匯水面積41.5 km2，總庫容1 106.52萬m3。大壩、表孔溢洪道、引水建筑物、放空建筑物等主要建筑物為3級，設計洪水重現(xiàn)期50年，校核洪水重現(xiàn)期500年，消能防沖建筑物設計洪水重現(xiàn)期為30年。工程抗震設防烈度為6度。

工程所在區(qū)域氣候屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，無酷暑寒冬，相對濕度大，日照時數(shù)低。多年平均氣溫12.7℃，最冷月(1月)平均氣溫2.1℃，最熱月(7月)平均氣溫22.2℃。多年平均風速為2.8 m/s，多年平均年降雨量為1 203 mm。

壩址區(qū)河谷為“V”形橫向谷，河流走向近似南北向，左岸地形坡度46°～55°，右岸地形坡度34°～43°，正常蓄水位1 061.0 m時，河谷寬約134 m，寬高比1.95。壩基巖體為寒武系中上統(tǒng)婁山關群∈2-3ls2淺灰色、灰色中厚層細至中粒白云巖。巖層產狀較穩(wěn)定，總體為單斜構造，巖層傾上游，產狀160°～165°∠20°～26°。壩址區(qū)無較大型斷層、褶皺等構造發(fā)育，主要發(fā)育三組陡傾角的裂隙。夾層主要為巖體強風化帶沿層面及裂隙面間局部夾泥，層面的起伏差大于夾層的厚度。弱風化帶白云巖為中硬巖，其巖石飽和單軸抗壓強度42 MPa。壩基(肩)弱風化巖體質量∈2-3ls2屬BⅢ2類。

1 樞紐布置

1.1 壩軸線確定

大壩選址于三岔河青山峽谷附近，壩址區(qū)地形情況詳見圖1，可研階段壩軸線布置如圖中所示，該階段推薦方案的壩軸線長184 m。從宏觀來看，原壩線所在的上游50 m、下游約100 m總計約150 m范圍的山谷是壩址區(qū)最為狹窄的一個區(qū)域。在距離可研推薦壩線上游約300 m處，河谷呈收縮狀，兩岸山坡也較對稱，從地形上講具備建設拱壩的條件。如在該處建壩，要維持原水庫規(guī)模不變，勢必抬高水位較多。在大壩可研階段推薦壩線下游約50 m～100 m處，亦可布置一條壩線。但該處左右兩岸拱座下游均有沖溝，抗力體相對較為單薄。

初設階段的地勘成果表明，受左岸拱座處沖溝影響，原壩線左岸地質條件相對右岸稍差，弱風化層深度左岸比右岸大約深12 m。為此壩線左岸拱座適當往下游方向移動約8 m，壩線延長約20 m，使其左壩肩嵌入微風化上部或弱風化巖體下部。

可研階段大壩右壩肩位于山體等高線拐點附近，單純從右壩肩條件來看，有條件往上游方向移動一段距離以加大右壩肩抗力體范圍。但考慮到溢洪道的泄流歸槽條件，往上游移動的距離有限。經優(yōu)化，最終確定壩線右岸拱座往上游偏移約3.0 m。

圖1 壩軸線優(yōu)化示意圖

1.2 選定的樞紐布置

攔河大壩壩型為拋物線型變厚常態(tài)混凝土雙曲拱壩，大壩中心線方位為N1°28′39″E，壩頂高程1 065 m。壩身設置表孔溢洪道，引水管，放空管(兼做生態(tài)放水管)。

2 拱壩體形設計、應力分析和拱座穩(wěn)定

2.1 拱壩體形設計

從壩址地形來看，左岸拱座位于兩條沖溝之間，山體等高線在1 025 m以上往左岸側偏轉，對拱座穩(wěn)定不利，故體形設計時須考慮到左岸有足夠的嵌深。從壩址區(qū)地質條件來看，壩址處基巖綜合變形模量在8 GPa左右，適宜建設70 m級的拱壩[2]。但基巖隱裂隙較為發(fā)育，爆破開挖后形成的石頭均為小粒徑的碎石，因此應重視巖基的承載力問題，相應拱端厚度不宜過薄。對壩高超過70 m的高拱壩，其體形設計不僅要滿足光滑美觀的基本要求，而且對溫度荷載、巖體綜合變形模量等主要因素應具有較強的適應性[3]。

考慮上述因素，對拱壩體形進行優(yōu)化設計，拱圈中心線為拋物線，確定大壩的體形參數(shù)見表1。壩軸線總長204 m，壩頂寬5.0 m，拱冠處底寬15.2 m，拱冠厚高比0.203，弧高比2.713，最大中心角85.03°。

2.2 拱壩應力分析

拱壩應力分析采用拱梁分載法為主，輔以有限單元法。拱梁分載法計算軟件采用浙江大學拱壩計算軟件ADAO，拱梁網格系統(tǒng)為9拱19梁，采用四向調整法。

壩基巖體綜合變形模量，河床壩段、兩岸1 024 m以下為9.0 GPa，兩岸1 024 m以上為8.0 GPa，泊松比μ=0.29。壩體混凝土的物理力學參數(shù)取值：彈性模量Ec=2.1×104MPa；泊松比μ=0.167；重度γc=24 kN/m3；線脹系數(shù)α=0.975×10-5/℃；導溫系數(shù)a=0.003 4 m2/h=2.448 m2/月。溫度荷載主要參數(shù)取值為：多年平均氣溫為12.8℃；封拱溫度為11.0℃；設計正常溫降年變幅取為11℃；設計正常溫升年變幅取為10℃。

兩種方法計算得出的主應力變化規(guī)律一致、高主應力范圍吻合，兩者互為驗證。采用有限元計算時，合理應用薄層單元以提高壩基面上應力的穩(wěn)定性，并計算出等效應力[4]。基本組合下，壩體最大等效壓應力為5.01 MPa，最大等效拉應力為1.48 MPa；特殊組合下，壩體最大等效壓應力為5.04 MPa，最大等效拉應力為1.35 MPa。拱壩壩體上、下游面的最大主應力值均小于應力控制標準值；拱壩最大徑向水平位移亦符合拱壩變形的一般規(guī)律。

為評價拱壩體形的適應性，選取封拱溫度、溫度荷載(溫升、溫降)、基巖變形模量等主要參數(shù)，開展這些因素對拱壩應力影響的敏感性分析[5]。分析表明，拱壩壩體應力對上述因素的敏感性在合理范圍內，體形設計較為合理。

表1 拱壩體形參數(shù)表

2.3 拱座穩(wěn)定分析

拱座無特定的滑裂面，拱座穩(wěn)定分析按二維剛體極限穩(wěn)定方法進行計算。分層進行拱座穩(wěn)定計算時，底滑面取為層面；側滑面自拱座上游端點起，方向取為陡傾裂隙走向方向。左岸拱座側滑面方位為N15°～20°E，右岸拱座側滑面方位為N5°～35°W。側滑面上抗剪斷強度指標按照裂隙連通率將節(jié)理面與巖體間的指標予以加權平均，底滑面抗剪斷強度指標取為層面指標。計算結果表明大壩拱座穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3 拱壩基礎處理設計

3.1 壩基開挖

拱座開挖型式為全徑向開挖。大壩建基面中下部進入微風化基巖，上部進入微風化基巖。河床開挖深度為15 m，左岸嵌巖深度27 m～35 m，右岸嵌巖深度20 m～28 m。壩基開挖采用鉆孔梯段爆破法，拱肩槽及邊坡輪廓面的開挖采用預裂爆破，水平建基面的開挖，采用預留保護層的開挖方法。

3.2 固結灌漿

對壩基進行全面固結灌漿，并在壩基以外上、下游區(qū)各增設1排固結灌漿孔，固結灌漿孔深8 m。壩基范圍內灌漿孔排距、孔距為3 m，呈梅花型布置。壩踵、壩趾外的分別增設一排灌漿孔，孔距3 m，采用斜孔灌漿，與豎直方向夾角為7°。固結灌漿均要求在有混凝土蓋重(厚度不小于3.0 m)下進行。

3.3 壩基防滲與排水

壩基防滲采用灌漿帷幕，兩岸帷幕延伸至正常水位與蓄水前的天然地下水位線相交處。帷幕深度按照深入相對不透水層(透水率小于3 Lu)不小于5 m控制，深度不小于壩高的0.5倍。壩基帷幕采用單排孔布置，孔距2.0 m，帷幕灌漿采用孔口封閉法。

在基礎灌漿排水廊道內設置排水孔，孔距3 m，孔徑110 mm，孔深為帷幕孔深的40%～60%。其中1 009.00 m高程以下壩基滲水匯集于995 m高程處的集水井，通過水泵抽排出壩；1 009.00 m以上壩基滲水，通過1 009.00 m高程處壩廊道自流出壩。

4 表孔溢洪道設計

泄洪建筑物位于5#、6#壩段的壩頂中部，為開敞式表孔溢洪道。溢洪道共2孔，單孔凈寬12 m，不設閘門。為簡化結構并便于施工，溢洪道堰孔采用非徑向的順直式布置，即邊墩和中墩分別與溢洪道中心線平行。溢洪道順水流向全長12.5 m，下游閘頂設置了交通橋。溢流堰采用WES實用堰，堰頂高程1 061 m，出口設置挑流鼻坎，鼻坎頂高程1 055.50 m，挑角25°。大壩溢流中心線剖面見圖2。

工程最大泄量232.30 m3/s，單寬流量較小。由于堰頂無閘門控制，堰上水頭較小時，下泄水流為跌流。因此，壩趾下游應設置護坦對壩基形成防護[6]。大壩下游覆蓋層厚度1.5 m～2.5 m，表面巖體抗沖刷性能較差。經消能防沖計算，在不采取防護措施情況下，在30年一遇消能洪水作用下，下游沖坑最大深度為5.2 m。對于拱壩而言，形成的沖坑不僅危及壩基安全，也會危及兩岸山體穩(wěn)定進而削弱拱座抗力體。經計算，在校核洪水位下，水舌最大挑距為44 m。綜合考慮上述因素，設計采用護坦末端設置尾坎形成水墊塘的消能型式。護坦頂面高程1 003 m，尾坎頂高程1 007 m。按此布置，在各種工況下，入射水舌均能入塘消能，且基本不會形成沖坑。

圖2 大壩拱冠剖面(高程單位：m；管徑：mm)

水墊塘長45 m，橫斷面為梯形，底寬為20 m。水墊塘底板厚度2.0 m，板塊間設置兩道止水，底板下設置錨桿Φ25和縱橫向排水系統(tǒng)[7]。水墊塘范圍內兩岸采用1.0 m厚的貼坡式擋墻防護，墻頂高程1 012 m，坡比1 ∶0.75。

5 大壩混凝土及溫度控制設計

5.1 壩體混凝土分區(qū)

大壩主體混凝土總方量約10萬m3。結合拱壩應力分布情況，大壩混凝土以C20為主，其綜合性能指標為C9020W8F100，限制最大水膠比為0.55，28 d極限拉伸值不小于0.80×10-4，90 d極限拉伸值不小于0.90×10-4。引水管、放空管、廊道等周邊混凝土采用C25混凝土，溢流壩牛腿、堰面以及閘墩等采用C30混凝土。

5.2 溫度控制標準

對混凝土拱壩開展施工全過程溫度應力仿真計算與溫控措施優(yōu)化研究，大壩封拱溫度為11℃。綜合基礎溫差、上下層溫差、內外溫差的控制要求，并考慮到工程施工中溫度控制標準的可操作性，方便施工與管理，壩體允許最高溫度對于約束區(qū)為32℃，非約束區(qū)為35℃[8]。

5.3 溫度控制措施

(1)原材料控制及配合比優(yōu)化。大壩混凝土采用的水泥為開陽縣當?shù)厣a的紫江水泥，其性能基本均能滿足國標標準[9]中對中熱硅酸鹽水泥的全部要求。骨料采用庫區(qū)右岸的灰?guī)r，品質良好。單方混凝土水泥用量為151 kg，粉煤灰摻量30%，用水量112 kg。

(2)澆筑溫度控制。骨料堆場應搭設遮陽棚，骨料堆高在6 m以上，堆存時間確保5 d～7 d。嚴格控制水泥入罐最高溫度不得大于65℃。合理利用低溫季節(jié)或低溫時段澆筑混凝土。

(3)施工方法和程序控制。大壩混凝土的澆筑采用平鋪法施工，澆筑層厚2.0 m。混凝土澆筑遵循“薄層短間歇均勻上升”的原則。澆筑層間間隔時間3 d～14 d，控制相鄰壩段高差在12 m以內，相鄰壩塊澆筑時間的間隔應小于28 d。

(4)通水冷卻。壩體內預埋冷卻水管，對混凝土實施一期、中期、二期通水冷卻降溫。各期通水冷卻控制要素見表2[4]。

表2 通水冷卻階段降溫控制表

6 壩體結構及構造

6.1 引水建筑物設計

綜合考慮引水條件和閥門室基礎工程量[10]，引水管布置在8#壩段，進口底坎高程1 035.0 m，管徑1.2 m。進口設平面檢修閘門和攔污柵，共用1套門槽。庫水經DN1.2 m引水管引到壩后再由三岔管分為3根供水管流出，引水管和供水管上分別設置控制閥門。結合大壩混凝土垂直運輸設備的布置，控制閥室基礎兼作塔機基礎。根據現(xiàn)場地形，將閥門基礎布置成衡重式擋墻結構，并與下游山體間封閉。在控制閥室基礎頂1 034.5 m高程處可以形成一個不規(guī)則的三角形回填平臺，既簡化了壩后交通連接設計，還為閥門設備的安裝提供場地。

6.2 放空建筑物設計

放空管布置于位于主河床的6#壩段，結合上部外挑溢流堰的設計，將出口結構布置于外挑堰體輪廓范圍以內，既可確保上部溢洪道的下泄水流不會跌流至放空管出口段，又能保證放空管出水能夠進入水墊塘，避免對岸坡的沖刷。放空管進口底坎高程1 017.0 m，放空率達98%。考慮到放空管使用頻率不高，借鑒國內已建工程經驗[11-12]，進口不設置檢修門僅設鋼筋攔污網，出口設錐形閥控制并輔以消能，錐形閥前設置可靠性相對更高的偏心半球閥作為檢修閥。DN1200主管在檢修閥后引出一DN300的支管作為生態(tài)環(huán)境放水管，出口設錐形閥予以控制。

6.3 構造設計

大壩壩頂不設防浪墻，下游側設置3.5 m寬的行車道。橫縫采用鉛直縫，橫縫間距控制在20 m以內。橫縫方向為沿1 048 m高程拱圈中心線的徑向，底部縫面與基礎面正交。橫縫面設置球形鍵槽，并埋設灌漿系統(tǒng)。橫縫上游面設置兩道止水，橫縫下游面1 015 m以下設置兩道止水，1 015 m以上僅設置一道橡膠止?jié){片。

接縫灌漿沿河流向不分區(qū)，沿高度方向分為7個灌漿區(qū)，灌區(qū)高度，除頂層為15 m外其余各層均為12 m。接縫灌漿管路系統(tǒng)采用“進回漿管+塑料拔管”，即升漿和出漿設施采用拔塑料管方式。

基礎灌漿廊道，主要布置于2#—9#壩段，河床處廊道底板高程為995.0 m。1 009 m高程處左岸、1 034.5 m高程處左、右岸分別設一個出壩交通兼觀測廊道。

在拱壩體形之外，上、下游壩體與開挖巖體間的三角形狹小區(qū)域內直接澆筑混凝土形成貼角[13]。上、下游貼角頂寬分別按照不小于1.0 m、1.5 m控制。為便于施工，壩后交通以水平交通橋為主，結合放空管和引水管布置，共設置2層，高程分別為1 016.4 m、1 034.5 m。壩頂和壩后水平交通系統(tǒng)的連接通過壩趾貼角處的踏步來實現(xiàn)。

7 結 語

三岔河水庫大壩所處河谷狹窄，壩基巖體為白云巖，壩址區(qū)無較大地質構造，適宜建設混凝土拱壩。設計根據地形地質條件及自身特點，開展了一系列優(yōu)化設計，樞紐布置緊湊，壩體混凝土總方量僅10萬m3，取得了較好的效果，可供類似工程參考。三岔河水庫工程主體工程于2015年初開工，目前，三岔河水庫大壩混凝土已經完成85%，預計2019年9月份全線澆筑到頂。截止目前為止，大壩混凝土未出現(xiàn)一條裂縫。