巫家水庫壩址壩型方案論證及結構設計計算

張 靜，劉文龍

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000)

1 工程概況

巫家水庫位于正安縣東南面班竹鎮新模村境內，距市坪集鎮6 km，距班竹鎮16 km，距遵義市區185 km，為小(Ⅰ)型水庫，工程等別為Ⅳ等。壩址位于馬河一級支流龍橋溪的上游柏楊寺河段，屬長江流域烏江水系。壩址以上流域面積14.6 km2，多年平均徑流量981×104m3，主河道長6.0 km，主河道加權平均坡降36.6‰。水庫主要任務為村鎮供水、農田灌溉和工業用水，設計供水能力615×104m3，多年平均供水量580×104m3，水量利用率59.1%。水庫正常蓄水位933.00 m，相應庫容439×104m3，庫容系數34.9%，具備多年調節性能。大壩樞紐由堆石混凝土重力壩、溢洪道、取放水建筑物等組成，最大壩高34.5 m。

2 工程選址及壩址壩型比選

2.1 建壩河段選址

根據地表調查及地質勘察等勘測成果，選定在規劃河流龍橋溪上優選建壩河段。龍橋溪上游主要由龍橋溪主河溝及其兩大支溝組成，在倉屋基處匯合后流經柏楊寺(回龍寺)、河壩(習德高速)、山虎廟(習德高速)、龍橋等地，在桃子灣一帶匯入馬河。習德高速在河壩及山虎廟處分別跨越龍橋溪，倘若在河壩以下河段建壩，將對習德高速造成淹沒，而遷改高速公路難度極大，不宜建壩；柏楊寺以上至上游倉屋基河段為寬闊的侵蝕槽谷，河谷開闊，建壩工程量極大，不宜建壩；倉屋基以上為龍橋溪主河溝及其兩大支溝，在任其一條河溝建壩水資源均不滿足規模要求。通過地質測繪和地表調查研究，原規劃河壩(習德高速)以上至柏楊寺(回龍寺)河段河谷相對狹窄，該段中下游河段與習德高速公路距離較近，對公路影響大，且河床比降較大，兩岸受沖溝切割及順河向的臺狀斜坡影響，地形對稱性差，不宜作為建壩河段；而該段上游約0.6 km河段河床相對較平緩，河谷兩岸地形總體較對稱，地形地質條件相對較好，具備建壩條件[1]。綜合考慮水庫規模，優選河壩(習德高速)以上至柏楊寺(回龍寺)河段上游約0.6 km河段作為巫家水庫建壩壩段。

2.2 壩址比選

通過現場踏勘，結合地形測繪、地質勘察及鉆探等成果，確定相距約0.52 km的上下壩址的工程地質條件經適當工程處理后均具備建壩條件，其位置見圖1。

圖1 上下壩址俯視圖

根據上下壩址工程地質、邊坡處理、庫岸穩定、施工條件等條件，結合水庫規模、樞紐布置等因素進行對比論證[2-3]，即：①地形地質條件：從地層巖性上來看，上壩址主要為志留系下統龍馬溪群(S1ln)薄層鈣質、粉砂質泥巖夾少量泥灰巖的軟質巖，分布在河床兩岸，為壩基肩主要持力層巖體。上壩址經工程處理措施后，具備修建中低型混凝土重力壩的條件；下壩址主要為中統石牛欄群(S2sh)中至厚層灰巖的中硬巖，主要分布在河床及兩岸。下壩址經工程處理措施后，具備修建中低型混凝土拱壩的條件。下壩址工程地質條件略優于上壩址。②邊坡條件：上壩址兩岸邊坡地形相對寬緩，自然穩定性較好，邊坡開挖過程中對巖土質邊坡采取臨時和永久支護工程措施后，邊坡穩定性較好；下壩址兩岸邊坡地形相對狹窄，左右岸壩肩邊坡高陡，開挖后易形成高邊坡，開挖處理難度相對較大，且風化、卸荷裂隙較為發育，形成大范圍危巖體帶發生墜落、崩塌等，邊坡局部穩定性差。邊坡條件上壩址優于下壩址。③庫岸穩定：上壩址近壩庫岸整體穩定，對工程建筑物影響小；下壩址庫區近壩庫岸左岸存在較大體積的卸荷體，右岸存在大面積滑動堆積體，蓄水后有發生堆積體滑動的可能，危及水庫大壩的安全，需清除或采取處理措施[4]。庫岸穩定上壩址優于下壩址。④成庫條件：上壩址所在地層為S1ln，泥質含量相對較高，巖溶弱發育，主要以溶溝、溶槽及溶蝕裂隙為主，兩岸無出水點。帷幕底界均接S1ln1粉砂質、鈣質泥巖微風化相對隔水巖體，灌漿孔較淺，灌漿進尺小，防滲工作量相對較小(總進尺3 741 m)；下壩址所在地層為S2sh，溶蝕作用相對較強烈，巖溶相對較發育，除地表溶溝溶槽、溶蝕裂隙發育外，在壩址區均有出水溶洞發育，防滲處理面較大。兩岸地形陡峭，地表施工難度大，鉆孔無效進尺工作量大，灌漿進尺大(鉆孔總進尺8 272 m)，且蓄水后對右岸習德高速存在一定的安全隱患。成庫條件上壩址優于下壩址。⑤工程樞紐布置：上壩址為堆石混凝土重力壩，下壩址為堆石混凝土拱壩，上下壩址樞紐布置難度及工程量基本相當。⑥施工條件：上下壩址相距約520 m，上壩址處河谷較開闊，壩址下游地勢較平緩，施工場地布置方便，且右岸有鄉村公路經過。上壩公路和庫區恢復公路易于布置，場內交通布置條件優越；下壩址河谷狹窄，下游河床坡降較大，施工場地布置困難。上壩公路和庫區恢復公路難于布置，場內交通布置條件差[5]。其次，相比下壩址，上壩址對外交通距離較短，外購物資的運輸稍有利。上壩址距料場約0.5 km，下壩址距料場約2.3 km，下壩址運距較上壩址長，運輸成本高。上壩址施工條件要明顯優于下壩址。⑦水庫淹沒：上壩址比下壩址淹沒人口相差不大(上壩址119人，下壩址123人)，房屋面積少293.78 m2(上壩址3 936.57 m2，下壩址4 230.35 m2)，淹沒總投資上壩址較下壩址少531.17萬元，上壩址優。⑧工程總投資：上壩址總投資為38 589.07萬元，下壩址總投資為41 635.45萬元，上壩址較下壩址投資節約3 046.38萬元。

通過上下壩址地形地質條件、邊坡條件、庫岸穩定、水庫淹沒、工程樞紐布置、施工條件、工程投資等技術經濟方面的綜合比較，上壩址要明顯優于下壩址，優選上壩址為巫家水庫工程的建壩場址。

2.3 壩型比選

選定的上壩址巖層單斜產出，產狀總體穩定，巖層產狀為N15～20°E/ NW∠20～23°，巖層總體傾下游，河谷為基本對稱寬V型橫向河谷結構。壩基及兩壩肩主要出露S1ln1薄層粉砂質、鈣質泥巖巖層，該巖層為較軟巖類巖體，抗風化能力相對較弱，風化深度相對較大，多呈面狀風化。壩區未發現斷層構造發育，構造以裂隙為主，強風化帶寬最大達6 cm，多為泥質、巖屑充填，宜開挖清除。弱風化以下多閉合或方解石脈充填，向深部逐漸尖滅，巖體逐漸完整。上壩址經地基處理后，可建剛性壩和柔性壩。

壩區河谷兩岸地形總體對稱，設計正常蓄水位933.0 m高程時河谷寬105 m左右，谷口寬高比為4.2左右。壩址區裂隙較發育，基礎均一性較差，且近壩右岸下游有1號沖溝發育；受裂隙及巖層結構面組合切割影響，存在楔形體或棱體分布；左岸下游岸坡及右岸下游沖溝存在臨空滑出面。以上組合對壩肩抗滑穩定不利，不具備建拱壩的條件；而重力壩適應性較強，且壩高較矮(34.5 m)，通過基礎處理后具備建重力壩的條件，故剛性壩選擇重力壩壩型。重力壩根據筑壩材料可選碾壓混凝土、常態混凝土、混凝土砌石以及堆石混凝土等壩型，碾壓混凝土重力壩雖施工技術完善，機械化程度高，工效快，但巫家水庫場區相對狹窄，大型機械進入較困難，施工干擾大，優勢難發揮，故不采用；常態混凝土壩其溫控措施復雜、造價高，也不推薦。將砌石和堆石混凝土兩種筑壩材料特點進行對比分析，見表1。

表1 混凝土砌石和堆石混凝土重力壩筑壩特性表

由表1可知，堆石混凝土與混凝土砌石相比，具有施工工藝簡單、施工速度快、機械化程度高、工程質量易于控制等優勢[6]。堆石混凝土造價雖略高于混凝土砌石，但堆石混凝土作為一種具有我國自主知識產權的新型大體積混凝土施工技術，具有低碳環保、低水化熱、密實度高、體積穩定性好，層間抗剪能力強等優點，非常適合應用于重力式結構。近些年已在國內水利水電項目中得到廣泛的應用和普遍的認可，是經水利部科技成果鑒定的重點科技推廣項目，采用堆石混凝土重力壩壩型對推廣多元化筑壩材料筑壩具有積極的意義[7]。

就壩體材料而言，巫家水庫柔性壩優選混凝土面板堆石壩型進行對比分析。混凝土面板堆石壩(柔性壩)和堆石混凝土重力壩(剛性壩)兩種代表壩型比選結果為：堆石混凝土重力壩樞紐其建筑工程部分估算投資較混凝土面板堆石壩樞紐節約956.60萬元，且重力壩樞紐開挖工程量較少，泄水、取水建筑物等布置簡單、緊湊；而混凝土面板堆石壩開挖、回填工程量大，泄水、取水建筑物等布置分散。施工時重力壩為混凝土結構，導流工程規模較小，臨時工程量較省，同時可采取壩身預留缺口的措施降低度汛高程；而混凝土面板堆石壩為土石結構，導流標準和規模較大，特別是后期度汛，壩身不允許過水。搶筑壩體攔洪高程是大壩施工的關鍵環節，導流工程規模較大，臨時工程量較多。故設計優選地形地質條件適宜性好、技術經濟指標優越的堆石混凝土重力壩壩型。

3 堆石混凝土重力壩結構設計計算

3.1 大壩樞紐布置

巫家水庫大壩位于馬河支流龍橋溪上游，為堆石混凝土重力壩壩型。大壩樞紐由水庫大壩、壩頂溢流表孔、取(放)水建筑物等組成，具體布置見圖2。

大壩為C9015W6F50一級配堆石混凝土重力壩，壩軸線方位角為N25.98°E，壩軸線長125 m，兩壩肩及河床段壩基置于弱風化基巖中上部，河床建基面高程902.00 m，壩頂高程936.50 m，最大壩高34.5 m，壩頂寬為6.0 m，大壩上游壩坡1∶0.2，起坡點高程916.50 m，下游壩坡1∶0.8，起坡點高程933.00 m，壩底最大厚度為33.7 m。壩內設灌漿排水廊道，總長為51.0 m，兩岸坡設交通及排水廊道，總長17.0 m。大壩壩頂中部設泄洪表孔，為開敞式泄洪方式，堰型為WES實用堰，堰頂高程933.00 m，溢流壩段凈寬18 m，共3孔，單孔寬6 m。取(放)水建筑物布置于大壩右壩段，其主要由進水口、漸變段和壓力鋼管段等組成，總長54.0 m。

3.2 大壩應力分析及抗滑穩定計算

3.2.1 大壩應力分析

按照《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2018)規定，壩體應力計算采用材料力學法，只計算壩體邊緣應力。計算得到不同壩段、不同荷載組合工況下大壩應力分析成果，見表2。

圖2 巫家水庫堆石混凝土重力壩樞紐布置

表2大壩應力分析成果

荷載組合工況溢流壩段非溢流壩段壩基上游面垂直正應力壩基下游面垂直正應力壩基上游面垂直正應力壩基下游面垂直正應力基本荷載組合1(正常蓄水位)0.310.420.420.38基本荷載組合2(設計洪水位)0.210.410.320.37特殊荷載組合1(校核洪水位)0.180.430.300.38

從表2可知，基本荷載組合情況下，最大壓應力0.42 MPa；特殊荷載組合情況下，最大壓應力0.43 MPa。大壩上游面未出現拉應力，大壩計算的最大壓應力在規定的允許范圍內。大壩壩基(肩)持力層主要為S1ln薄層鈣質、粉砂質泥巖夾少量泥灰巖飽和抗壓強度為15～20 MPa，壩基承載力為1.2～1.5 GPa，壩基承載力滿足要求。3種運行工況下，壩體的最大壓應力均在設計允許范圍內，選用C15堆石混凝土材料合理，壩基承載力也滿足要求。

3.2.2 大壩抗滑穩定計算

巫家水庫攔河大壩為堆石混凝土重力壩，最大壩高34.5 m，屬中壩。根據《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2018)及《膠結顆粒料筑壩技術導則》(SL 678-2014)規定[8]，大壩抗滑穩定計算采用抗剪斷公式進行計算，分析成果見表3。

表3 大壩抗滑穩定分析成果

從表3可知，兩種滑動模式下正常工況抗滑穩定最小安全系數為3.01，大于規范規定的K=3.0；校核工況抗滑穩定最小安全系數為2.88，大于規范規定的K=2.5，均滿足規范要求。

4 結 論

1) 河壩(習德高速)以上至柏楊寺(回龍寺)河段上游約0.60 km河段建庫地形地質條件好，該河段的下壩址地質條件雖略優于上壩址，但考慮到上壩址在邊坡處理、庫岸穩定、水庫淹沒、施工條件和工程投資等技術經濟方面更具優勢，確定上壩址為最終建壩壩址。

2) 混凝土面板堆石壩和堆石混凝土重力壩對工程區地形、地質條件適應性均較好，均能滿足建壩要求，技術上可行。經過對開挖回填工程量、泄水及取水建筑物布置、施工導流及度汛、工程投資等方面綜合比較，優選經濟技術指標均較優越的堆石混凝土重力壩方案。

3) 大壩結構應力和穩定性分析表明，3種運行工況下壩體最大壓應力和基巖承載力均滿足設計要求。兩種滑動模式下抗滑穩定安全系數均大于規范指標，大壩整體安全可靠。