出山店水庫混凝土重力壩設計

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概況

出山店水庫位于淮河干流上河南省信陽市出山店村，工程建設任務是以防洪為主，同時結合供水、灌溉功能且兼顧發電等，水庫控制流域面積2900km2，總庫容12.51 億m3。水庫完工投入使用后，可有效攔蓄調節上游山區洪水，削減干流息縣、淮濱的洪峰流量，與后期擬建的張灣、袁灣、晏河水庫等南岸支流水庫聯合運行，可有效提高水庫下游保護區及王家壩以上圩區的防洪標準，使淮河中游防洪壓力大大減小，工程還可以為下游50 萬畝農田灌溉提供水源，同時為信陽市提供工業和生活用水。

2 工程總體布置

出山店水庫混凝土重力壩段長429.57m，最大壩高40.6m，由連接壩段、表孔壩段、底孔壩段、電站壩段和非溢流壩段組成。

2.1 連接壩段

混凝土壩段1#～4#壩段為連接段，總長80.0m，左側連接土壩段，右側連接溢流壩段。混凝土刺墻外包粘土心墻，心墻外為砂殼上游坡采用0.28m 厚混凝土預制連鎖砌塊護坡。上游坡在平面上采用圓弧裹頭型式側墻相接。上游側墻采用半重力式結構型式，下游坡采用0.1m 厚預制砌塊護坡。插入刺墻分半插入段與全插入段，全插入段長20.0m。

2.2 表底孔壩段

混凝土壩段5#～13#壩段為溢流壩段，總長為150.5m，壩頂高程為100.40m，溢流表孔為開敞式結構，凈寬15.0m，堰頂高程為83.0m，閘墩順水流向長33.0m。堰面曲線上游段采用三圓弧曲線。溢流表孔經論證采用底流式消能、尾坎式消力池。14#～15#壩段為泄流底孔壩段，總長40.00m，位于溢流表孔壩段右側，壩頂高程100.40m，壩基最大寬度48.60m，壩體迎水面為鉛直面，底孔底板高程75.00m，孔口寬度7.0m，高度7.0m，共3 孔，中墩厚4.0m，縫墩及左側邊墩厚3.0m，右側邊墩厚6.0m。進口采用有壓短管，喇叭口型式，進口上緣及兩側均采用橢圓曲線。從上游至下游為進口段、門槽段、壓坡段、明流段。泄流底孔采用底流消能型式、尾坎式消力池。

2.3 電站壩段

混凝土壩16#壩段為電站壩段，壩段長度25.0m，壩頂高程為100.40m，基礎開挖高程為65.00m，最大壩高35.4m，壩基最大寬度33.6m，壩段上游面垂直，壩頂寬12.00m，向上游伸出2.50m布置檢修便橋，向下游以橋墩型式伸出布置交通橋，下游面以1︰0.75 斜坡段連接至82.00m 電站主廠房平臺，副廠房布置在主廠房下游側尾水平臺上。壓力管道采用壩身埋管布置型式，且采用單機單管供水，3 條壓力管道平行布置，從進水口到壩后廠房。

2.4 非溢流壩段

混凝土壩17#～23#壩段為非溢流壩段，總長為134.07m。壩頂高程為100.40m，寬8.0m。17#～19#壩段開挖基面高程為65.0m，壩基面順水流向長27.78m，上游面垂直，下游面坡度為1︰0.75。壩頂上游側設擋浪墻，下游設欄桿。

3 工程設計的難點與重點

出山店水庫混凝土重力壩基礎條件復雜、各專業交叉頻繁、建設期長、時間緊。在設計和建設期間遇到大量的難題需要攻關解決，總體而言主要難點、重點問題有三個：一是大體積混凝土溫控控制問題；二是低水頭、低佛勞得數消能防沖問題；三是緩傾角斷層處理問題。

3.1 大體積混凝土溫度控制

出山店水庫重力壩表孔溢流壩段邊墩厚3.0m，中墩厚3.5m，順水流向長度31.0m，堰頂至墩頂高17.4m。閘墩采用的混凝土型號C30W4F150 和C35W4F150，出山店水庫位于河南省信陽市，由于當地春季日平均氣溫不斷上升，同時早晚溫差較大，若不采取有效的溫控措施，此時澆筑大體積、高標號混凝土，壩體混凝土內部最高溫、最大溫升及溫度梯度等溫度指標將急劇上升，壩體混凝土的溫度應力將大于其抗拉強度，最終混凝土將產生裂縫。因此在閘墩澆筑時必須采取有效的溫度控制措施。

本次對閘墩結構混凝土進行研究計算，選取其典型9#表孔壩段建立有限元整體模型網格，節點數77756，單元數70888。在設定溫度邊界時壩體橫縫面、壩基礎底面及四周均為絕熱邊界，其他面則為熱量交換邊界。在計算應力時，假定基礎底面為鉸支座，四周為連桿支撐，上部結構均自由。同時由于計算規模和時間限制且溫度應力主要發生在溫度變化激烈部位及其周圍，取計算域基礎在壩體向外擴展范圍為：基礎上、下游各取60m，垂直水流方向各取25m，地基深度取70m。表孔壩段從2016年11月份開始澆筑蓋重層混凝土，按照新的澆筑進度計劃，2017年5月份之前澆筑到壩頂，從6月1日到9月30日為汛期，混凝土表面過水，后一年水庫開始蓄水，仿真計算一直模擬到蓄水后約10年時間。

考慮該工程的實際情況并結合以往類似工程的經驗，在仿真計算結果和溫控指標要求的基礎上，提出了如下溫控建議：（1）采用間距1.0m×1.0m 的水管，在高程89～100.4m 的閘墩中采用河水進行冷卻，通水時間長度為10～20d，溫度峰值后的溫降速率不快于2℃/d，有效控制了溫升；（2）表面保溫，鋼模板外貼5cm 厚聚乙烯苯板，拆模后立即覆蓋聚乙烯卷材，覆蓋時長不少于28d。間歇期倉面的覆蓋材料為2.0cm 厚大壩保溫被，倉面要盡早覆蓋，盡晚掀開。溫降在15℃左右的寒潮，覆蓋4.0cm 厚的保溫被，溫降在20℃左右的寒潮，覆蓋6.0cm 厚大壩保溫被。

經過仿真計算，施工期采用“內降外?！笨偞胧?，合理設置混凝土冷卻水管的同時控制澆筑出機口溫度，制定科學有序的拆模和保溫工序，提高了混凝土澆筑效率，經外觀閘墩混凝土質量檢查，未產生裂縫。

3.2 低水頭、低佛式數消能

出山店水庫溢流表孔單寬流量大、水頭低、流速大且佛勞得數低，消能率僅為20%～40%，本工程在前期采用T 型墩+梯形墩消能的基礎上增設了寬尾墩消能設施，有效提高了消能效率。出山店水庫寬尾墩取B=9m、L=6.5m，由此確定寬尾墩收縮角θ=25°。為了分析聯合消能工的方案消能效果，進行百年一遇、千年一遇、萬年一遇三種工況下水工模型試驗。由于增加了寬尾墩，下泄水流受到尾部寬尾墩的水平束窄，大幅增加了射流的厚度，使水流沿水深方向得到顯著擴散。

由于尾墩加寬后，閘室沿程寬度變小，加寬后的墩尾將經溢流面入池的水舌分成兩部分，閘室中部水舌仍為底流，而兩側水舌經寬尾墩挑坎形成挑流，由于兩者聯合作用水躍穩定。同時增加了水流的紊動作用，使得入池水流形成三軸漩滾，造成了水流的大量摻氣，這是由于改變了自由水躍的水流結構。在模型試驗中呈現出氣水混合的乳白色狀態，通過摻氣和水流強烈的紊動摻混消除了水的動能，消能效果良好。

寬尾墩下泄的水流在進入消力池后，摩擦和沖刷仍然比較劇烈，在水流入池后，垂直水流方向上向兩側擴散，水流沖撞兩側邊墻并回流在中部相遇繼續沖撞翻滾，繼續消耗一部分能量。水流經過T型墩的調整后穩定流入下游河道，在尾坎處二次水躍有所減弱。

經過模型試驗驗證，最終設計采用非完整寬尾墩+T 型墩+梯形墩聯合消能工模式，得出的結論如下：（1）加寬尾墩后在三種典型工況下出池流速均有減小，降幅在0.6～2.0m/s，且大多下降在1.0m/s 以上，說明寬尾墩聯合消能工有效降低了流速和沖刷。（2）聯合消能工的運用在三種典型工況水位下使得消能率分別有所提升，說明寬尾墩的運用有效地增強了本工程溢流壩消能防沖效果。在2019年、2020年兩個汛期泄洪后，下游河床和岸坡經檢查，無明顯沖刷痕跡，說明了非完整寬尾墩+T 型墩+梯形墩聯合消能工模式這種消能防沖設計的安全性、合理性、科學性。

3.3 緩傾角斷層處理

出山店水庫重力壩坐落于花崗巖上，為中粗粒黑云母質，本區域花崗巖經歷了加里東、喜山期等地質運動。其斷裂構造主要為壓扭性、扭性為主，型式為“λ”型，表底孔壩段建基面位于弱風化巖下部。重力壩最大壩高40.6m，其中表孔7#、8#壩段位于弱風化基巖的下部，可研階段勘察發現F34斷層周圍強風化基巖深度較深，其破碎帶等在施工期已開挖清除。F34 斷層的傾角28°，F34 右側發現了次一級F34-1、F34-2，其產狀均與F34 相近，其以上各斷層與f4 陡傾角斷層形成切割，其間產生楔狀體。根據重力壩設計規范進行深層抗滑穩定分析，結果顯示各工況下其安全系數均不滿足規范要求，因此急需對F34 及其上附屬斷層進行科學處理。

根據壩基開挖后的斷層構造情況，擬定斷層全挖除、上游側布置深齒墻、混凝土洞塞、抗滑樁、抗滑樁+部分挖除、下游深齒墻六個方案。該工程最終對六個方案從工程安全、壩體整體結構的受力條件、施工難易程度以及工程投資和工期影響進行了比較，雖然全開挖方案投資稍高、工期較長，但從工程安全可靠、壩體結構受力明確、施工方便等綜合考慮，采用全開挖方案，并相應的對該部位的固結灌漿、帷幕灌漿進行加深、加密處理，可以徹底消除F34 斷層對壩體穩定的影響。

4 工程效益

2020年汛期，出山店水庫先后出現兩次較大洪水過程。其中最大一次洪水過程，最大入庫流量為2280m3/s，最高庫水位87.04m，超汛限水位1.04m。通過精準科學調度，水庫消峰率達77.8%，滯洪時間達183h，作為未竣工驗收的出山店水庫與其他水庫科學聯合調度，最大程度減小了淮河干流的防洪壓力，發揮了巨大的防洪效益。

5 結語

出山店水庫重力壩為高彈模巖基，地基約束大，低水頭泄洪消能率不高，大體積混凝土溫度控制、緩傾角斷層處理難度大等多項技術難題。因此在工程前期設計階段，應從以下幾個方面重點關注：

（1）對于低水頭、大單寬、低佛勞德數特征的溢流壩，需要尋求聯合消能工模式來提高消能率。

（2）對于大體積混凝土的澆筑，需要進一步專題研究各部位混凝土澆筑溫度控制方案，制定詳細的施工進度計劃，滿足工程施工節點目標要求。

（3）緩傾角斷層的處理，需要從工程安全、施工難度、投資角度經多方案比選確定合適的處理方案■