兩岔河水庫黏土心墻壩設計綜述

王 攀，唐安紅

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000)

1 工程概況

兩岔河水庫位于桐梓縣花秋鎮境內，地處桐梓河右岸二級支流，漆樹溝右岸一級支溝兩岔河中游河段。壩址上游集雨面積6.5km2，多年平均徑流量332萬m3。水庫正常蓄水位為1133.00m，相應庫容135萬m3，水庫總庫容171萬m3，規模為Ⅳ等小(1)水利工程。水庫樞紐主要由黏土心墻壩、溢洪道、取水兼放空建筑物等組成。設計洪水標準采用30a一遇，校核洪水標準采用300a一遇。工程任務為集鎮、農村供水及農田灌溉。

2 壩址地形地質條件

壩址位于兩岔河與大河溝匯口至瓦廠窯之間的河段，該河段長約250m。河段上游河流相對順直，總體由S60-70E發育，在下游呈反“∽”型延伸出突，在上游左岸有大河溝總體沿S5-10W匯入。區內基巖多裸露，為單斜巖層，巖層產狀N30°-40°E/SE∠10°-20°，為不對稱的 “V”型橫向或斜河谷結構。

壩區主要出露志留系下統龍馬溪組(S1l)、韓家店組(S1h)、二迭系中統棲霞茅口組(P2q+m)及第四系(Q)地層。匯口處有大坡斷層(F1)橫切河床，受區域構造影響，壩址小斷層及裂隙較發育。壩址區壩基巖體主要為S1h頁巖夾砂質頁巖，巖層傾下游微偏右岸，傾角10°-20°，為單斜巖層結構，產狀總體較穩定，局部受構造影響產狀變化較大。頁巖夾砂質頁巖巖層面較光滑，層面間咬合較差，抗剪強度較低。

3 壩型比選及大壩樞紐整體布置

3.1 壩型優化比選

工程區內天然建筑物材料分布廣泛，風化料，黏土料及石料儲量豐富，壩址附近及管線沿線均有分布，料場交通方便。選取了黏土心墻壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型作比較。

對兩種壩型主要從樞紐布置方案進行比較，其主要區別在于：①大壩結構布置不同；②筑壩材料不同；黏土心墻壩防滲料為黏土，壩殼料為風化料。混凝土面板堆石壩防滲體為混凝土防滲面板，主要筑壩材料是堆石。兩種壩型樞紐布置方案工程特性及投資情詳見表1，2種壩型優缺點比較表見表2。

表1 2種壩型大壩特性表比較表

表2 2種壩型優缺點比較表

通過上述對兩種壩型方案的經濟技術綜合比較分析，混凝土面板堆石壩和黏土心墻壩在地形地質的適應性上均較好，施工場面大，施工工藝簡單，便于機械化作業，施工強度較高。但黏土心墻壩方案比混凝土面板堆石壩方案樞紐部分投資節省，綜上所述，本階段推薦壩型為黏土心墻壩[1]。

3.2 大壩結構布置

水庫樞紐區擋水建筑物為黏土防滲體心墻壩，大壩軸線主要是充分利用兩岸地形，以樞紐建筑物布置緊湊，溢洪道開挖石方盡量能利用為原則，盡可能將壩體布置在工程量較小、施工方便的相對河床較窄處。經樞紐布置和綜合技術比較后，確定壩軸線方向為N22.43°E。根據《碾壓式土石壩設計規范》SL274—2001，并結合壩體施工填筑要求和大壩設計計算，擬定壩頂寬6.00m，壩頂高程1137.00m，河床建基面高程為1098.50m，壩頂長118.00m，最大壩高38.5m，最大壩底寬162.5m。壩頂上游、下游側設青石防護欄桿。大壩上游壩坡為1∶2.2，采用混凝土預制塊護坡，岸坡周邊采用C20混凝土固腳，并設排水溝；大壩下游壩坡為1∶2.3，采用混凝土框格+植草護坡，下游壩面在高程1121.00m設2.0m寬的馬道，1110.50m高程以下設干砌塊石排水棱體，下游壩腳設截流墻及量水堰[2]。

4 黏土心墻壩結構設計

4.1 壩頂高程確定

調洪計算成果可知：水庫正常蓄水位1133.00m，設計洪水位1134.99m，校核洪水位1135.81m，多年平均最大風速12.0m/s，水庫計算吹程D=0.20km。根據SL274—2003《碾壓式土石壩設計規范》，按正常和非常兩種工況，計算得壩頂高程成果，如表3所示。

表3 壩頂高程計算成果

表1可知，非常校核洪水位為壩頂高程控制工況，取壩頂高程1137.00m。

4.2 心墻厚度計算

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)中提出的公式確定土質防滲體心墻厚度：

d≥H/4

(1)

式中：d為心墻厚度，m；H為墻基水頭，m，本工程最大水頭37.81m，

經計算，心墻底部厚度最小取值為5.00m，頂部最小厚度為3m。經綜合考慮，心墻宜采用漸變式厚度變化，頂厚3.0m，心墻上下游變厚坡比為1:0.15，心墻基礎處厚度11.0m。

4.3 滲流及壩坡穩定分析

4.3.1 滲流分析

大壩滲流穩定分析根據設計大壩剖面圖、鉆探資料、洪水成果，采用的壩體各部位滲透系數：K1=1×10-3cm/s(壩體風化填筑層)、K2=1.0×10-5cm/s(黏土心墻)進行計算。確定的計算模型為：有限深透水地基(深5.0m，滲透系數K3=1×10-4cm/s)上；確定計算工況為：A.庫水位校核洪水位1135.81m(P=0.33%)、下游洪水位1104.30m(P=0.33%)； B.庫水位設計洪水位1134.99m(P=3.33%)、下游洪水位1103.90m(P=3.33%)；C.庫水位為正常蓄水位1133.00m、下游水位為1102.74m。

1)計算方法及結果：

采用北京理正軟件設計研究院編制的《理正巖土系列軟件5.21版》之《理正滲流分析軟件》進行分析計算。滲流計算成果見表4。

表4 滲流計算成果表

2)壩體滲透穩定分析：

滲流作用下土體開始發生滲透破壞的水力臨界坡降按太沙基公式計算：

(1)

式中：icr為臨界坡降；Gs為土粒比重；e為土孔隙比；Fs為流土安全系數。

根據土體試驗結果，取Gs=2.66，e=0.67，計算出icr=0.99，考慮壩體材料為風化料，取安全系數為2，則大壩土石料允許抗滲坡降【J】=0.50。

實際滲透坡降按下式計算：

(2)

穩定滲流期壩體浸潤線計算結果說明，壩體滲透比降為J=0.35，小于壩體允許滲透比降【J】=0.50。

4.3.2 壩坡穩定分析

1)計算工況與最小安全系數：

本水庫為Ⅳ等工程，大壩為4級水工建筑物，根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)規定，壩坡穩定計算考慮計算工況及相應最小安全系數見表5。

表5 壩坡穩定計算工況及相關參數表

2)計算方法：

水庫大壩為心墻壩，根據SL274—2001《碾壓式土石壩設計規范》規定，壩坡抗滑穩定計算應采用剛體極限平衡法。

計算采用北京理正軟件設計研究院編制的《理正邊坡穩定分析軟件》進行計算。

3)壩坡穩定分析：

通過計算，4種計算工況的計算成果見表6。

表6 壩坡穩定計算成果

5 結 論

1)在水庫工程壩型選擇過程中，應根據壩址地形地質條件、建筑物布置、施工條件、工程量及投資等進行比較分析論證，統籌安排，全面分析，選取既技術可行又經濟合理的方案。本工程優選黏土心墻壩。

2)水庫樞紐由黏土心墻壩、溢洪道、取水兼放空建筑物等組成。心墻壩最大壩高39.0m，壩頂高程為1137.00m。

3)根據心墻壩滲流和壩坡穩定分析，在各工況下壩體單寬滲漏量較小，壩體浸潤線滲流坡降較緩，壩體滲透比降為小于壩體允許滲透比降，不會發生滲透破壞，壩體滲流性態滿足規范要求；壩坡穩定安全系數滿足規范要求，壩坡穩定。