銅鑼徑水庫主壩填筑材料分區優化設計

莊美琪，楊東光，譚海勁

（1.深圳市水務局，廣東 深圳 518040 2.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州 513605）

1 引言

銅鑼徑水庫位于深圳市龍崗河支流響水河上，壩址至上游三洲田水庫干流長4.99 km，集雨面積5.64km2，該水庫是深圳抽水蓄能電站 （裝機1200 MW，4臺） 的下水庫和深圳東部片區的調蓄供水水庫，具有發電、供水及防洪等綜合功能。

主壩在舊壩的基礎上擴建而成，舊壩壩頂高程68.35m，最大壩高25m，擴建后壩頂高程85.90m，最大壩高47.5m，新舊壩高差22.5m。工程等別為Ⅰ等大（1）型，設計洪水標準500年一遇，校核洪水標準5000年一遇，地震基本烈度為7°，總庫容2399.8萬m3，正常蓄水位80m，死水位60m，水位最大消落深度20m。經前期各階段壩型比較，主壩采用風化土心墻堆石壩。壩體堆石料由工程周邊石場供應，但2012年4月工程開工時周邊石場均已關停不再對外供應石料，石料短缺成為制約工程推進的主要因素。為保證項目按期竣工，對壩體填筑材料分區進一步優化，盡量減少堆石用量，控制工程投資。

2 優化設計原則

原設計已論證了充分利用舊壩的基礎上進行加高加厚，并解決了新舊壩結合面臨防滲體不均勻沉降引起的一系列對壩體不利的問題。因此，確保壩體穩定和控制變形是壩體材料分區［3-9］優化設計的關鍵，基本原則為：①維持原設計壩型不變；②在庫水位驟降工況下壩體邊坡和滲流穩定滿足規范要求；③壩體變形滿足規范要求； ④在任何情況下的滲透水都能通暢地排往下游；⑤基于上述條件，盡可能減少堆石用量和壩體總方量。

3 優化設計

3.1 原主壩設計方案

主壩軸線位于舊主壩下游，呈直線布置，壩頂高程85.9m，壩頂長433m，壩頂寬7m，最大壩高47.5m。壩體上游邊坡1∶2.75，下游邊坡1∶3，最大底寬約234.39m。

3.2 優化方案比較

壩軸線、壩頂高程、壩體長、高等基本參數維持原設計不變的情況下，根據優化設計原則，從減少堆石節省投資的目的出發，在滿足壩體邊坡穩定及變形要求的前提下，應盡可能大范圍布置全強風化料。除下游壩殼外，在心墻與上游堆石之間可增設全強風化料區。初擬上游壩坡為1∶4，1∶3.25，1∶2.75，1∶3，4個方案進行比較，各壩體結構下游相同，差異在上游。

3.2.1 1 ∶4方案

心墻上游增設全強風化料，面上以3m厚堆石壓坡，上游堆石與全強風化料之間設反濾層和過渡層，厚度均為1.5m。該方案壩體變形較大，不滿足要求，方案不可行。

3.2.2 1 ∶2.75方案

心墻上游增設全強風化料區，頂高程與正常蓄水位齊平，頂寬3m，上游坡比1∶1.5；面上堆石壓坡，堆石坡比上游1∶2.75。兩者之間設反濾層和過渡層，層厚均為1.5 m。

3.2.3 1 ∶3.25方案

心墻上游增設全強風化料區，頂高程與正常蓄水位齊平，頂寬4.24m，上游坡比1∶2，面上堆石壓坡，堆石坡比上游1∶3.25，兩者之間設反濾層和過渡層，層厚均為1.5m。

經初步計算，上游坡1∶2.75和1∶3.25兩方案均能滿足規范要求，其堆石量分別為37萬m3和40萬m3，兩方案的堆石量均有不同程度的降低。

3.2.4 1 ∶3方案

堆石坡比上游1∶3，下游1∶1.8，堆石量為31.86萬m3，較前兩個方案進一步減少。因此，推薦上游坡比1∶3的方案為優化方案。

壩體結構布置：上下游邊坡均為1∶3，自上游至下游面，依次布置干砌石護坡（厚0.6m）、上游堆石區、過渡層（厚1.5m）、反濾層（厚1.5m）、新增全強風化料區、反濾層（1.5m）、風化土心墻、反濾層（厚1.5m）、過渡層（厚3m），下游高程48 m以上為全強風化料、以下為堆石，全強風化料和堆石之間設反濾層 （厚0.6m）。下游坡面為草皮護坡，坡腳設排水棱體。上下游建基面均設粗砂碎石墊層（厚1m）。

3.3 壩體穩定與變形計算

3.3.1 壩體穩定計算

對材料優化分區后的方案進行計算。壩基和壩體計算參數根據施工圖階段的室內試驗和現場碾壓試驗有關數據及巖石特性，并參照國內類似工程的經驗數據類比擬定［10-14］，如表1。

表1 壩基和壩體計算參數

壩體邊坡穩定分析采用 《河海大學滲流邊坡穩定計算程序（Autobank7）》進行計算，滲流計算采用有限元法，穩定計算采用簡化畢肖普法。計算工況及結果如表2，壩體邊坡抗滑穩定滿足規范要求。

表2 壩體邊坡穩定計算成果

3.3.2 壩體變形計算

壩體變形采用E-b模型進行計算，參數參照其他類似工程擬定（如表3），有限元網格如圖1。

表3 材料的鄧肯-張模型（E-b）參數

圖1 優化設計方案剖面網格剖分

壩體變形計算結果如表4：

表4 主壩變形計算結果匯總

（1）從壩體的位移分布上看，竣工期最大沉降0.495m，蓄水期最大沉降0.388m，最大沉降為壩高的0.9%，主要發生在施工期［15-16］；蓄水后，壩體最大沉降量減少，因為蓄水后壩體孔隙水壓力增加，有效應力降低，浸潤線下壩體產生了微小的卸荷回彈變形。

（2）從壩體的大、小主應力分布上看，其較大值均在壩體底部［17］。竣工期斷面大主應力最大值1.07MPa，小主應力最大值0.49MPa，蓄水后最大、最小主應力均有所降低，同樣是蓄水導致有效應力降低所致。

4 工程量及投資變化情況

優化方案與原設計方案工程量比較： 堆石減少23.404萬m3，全強風化料增加27.839萬m3，堆渣增加8.43萬m3，過渡層增加3.24萬m3，反濾層增加1.156萬m3，過渡排水層增加2.114萬m3，粗砂碎石墊層增加2.065萬m3，干砌石護坡增加0.395萬m3。根據2014年第3期深圳市價格信息同比測算，優化方案造價14708.461萬元，原方案造價16654.098萬元，節省投資1945.54萬元。

5 結語

鑒于筑壩石料來源困難，為避免影響工程進度，對主壩分區填筑材料進行優化設計。經計算分析后的推薦方案，其壩坡穩定及壩體變形滿足規范要求，堆石量31.85萬m3，比原方案減少23.404萬m3；全強風化土石料83.74萬m3，比原方案增加27.839萬m3。壩體優化后體型和填筑方量有所增加，但增加的主要是全強風化料，而堆石料大大減少。按綜合單價計算，優化后方案投資 （直接費） 較原設計方案減少1945.54 萬元，優化設計滿足工程需求，保證了工程按期完工，取得了顯著工程效益。