密槽水庫工程重力壩設計

周 華

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

密槽水庫工程位于貴州省銅仁市碧江區(qū)境內(nèi)，距離銅仁市市區(qū)約4 km。工程的主要任務是城市供水、灌溉及農(nóng)村用水的綜合性水利工程。密槽水庫水庫正常蓄水位290.00 m，死水位273.00 m，校核洪水位291.87 m，總庫容1485萬m3，年供水量為1795萬m3/a。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。擋水大壩建筑物級別為3級。

碾壓混凝土重力壩壩軸線總長為210 m，壩頂高程293.0 m，建基面高程235.0 m，最大壩高58.0 m。樞紐布置為：河床段設置3孔壩頂溢流表孔，取水兼放空設施布置在左岸。

2 工程地質(zhì)

壩址位于卜口河羅家位置，河床高程255.0 m～255.5 m，寬20 m～40 m。下游左岸側120 m發(fā)育尖坡沖溝，左岸為較寬厚的山脊地形，山脊下部為較寬緩1級階地，高于河床3 m～8 m，階地寬10 m～80 m，呈階梯狀分布，階地以上地形坡面較順直，地形坡度22°～35°。右岸為山體斜坡地帶，岸坡高程258 m以上坡面較完整，起伏較小，地形坡度30°～40°。正常蓄水位290.0 m時河谷寬168 m，寬高比3.51。壩址區(qū)出露地層為寒武系下統(tǒng)清虛洞組第二段(∈1q2)至寒武系下統(tǒng)杷榔組第二段(∈1p2)地層，巖性由泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r，含鈣和粉砂泥質(zhì)粉砂巖夾極薄層灰?guī)r、板狀頁巖構成。左岸壩軸線至尖坡沖溝一帶受F1斷層影響，多發(fā)育撓曲，由河床至岸坡約50 m范圍內(nèi)產(chǎn)狀變化大，之后產(chǎn)狀穩(wěn)定，巖層傾角整體平緩，總體產(chǎn)狀傾向右岸，傾下游側，巖層產(chǎn)狀為80°～95°∠5°～8°，巖層走向與河流交角一般35°～40°。

設計中需對河床F1斷層位置進行針對性特殊處理，防止?jié)B漏破壞。

3 大壩設計

重力壩布置于卜口河下游，距離匯口2.7 km，壩軸線方位角為NW51.25°，壩軸線長210 m。大壩壩型為C15碾壓混凝土重力壩。大壩左右兩岸為非溢流壩段，河床段為溢流段。

非溢流壩段布置在溢流壩段兩側，左岸非溢流壩段長75.34 m，右岸非溢流壩段長106.28 m，溢流壩段長28 m。上游壩坡上部垂直，下部為1∶0.2，折點高程為275.0 m，下游壩坡1∶0.8，折坡點高程288.0 m。河床壩基開挖至弱風化上部基巖，壩基最低高程235.0 m。壩頂高程293.0 m，最大壩高58.0 m，壩頂寬度6 m，最大壩底寬56.4 m。為提高壩體深層抗滑穩(wěn)定，壩踵處設置5 m寬，2 m厚齒墻。

溢流壩段布置在壩身河床段，為有閘控制的開敞式溢洪道，堰頂高程284.0 m，溢流前沿凈寬18 m，最大單寬流量為42.94 m3/s。進口設置6 m×6 m弧形工作門三扇。閘門孔間閘墩厚度3 m，堰頂上游為三圓弧曲線，圓弧半徑分別為3345 mm、1338 mm、268 mm，下游為WES冪曲線，曲線方程為y=0.099x1.85。泄槽底坡同大壩下游壩坡一致，為1∶0.8，泄槽寬24 m，邊墻高4 m，泄槽末端圓弧段半徑為15 m，轉(zhuǎn)彎角度51.34°，消力池底板高程250.0 m，出口采用底流消能，消力池長45 m，高13.5 m。

壩內(nèi)251.0 m高程設有灌漿排水廊道，該基礎廊道在平面上沿壩軸線布置，兩岸通過斜廊道升至270.0 m高程，與壩后交通連接，廊道上游壁距壩軸線2.0 m，其斷面形式為城門洞形，為排除透過帷幕的滲水及基巖裂隙水，在灌漿廊道內(nèi)布置排水孔，孔深為帷幕孔深的0.5倍，孔距3 m，鉆孔傾向下游，傾角10°。排水孔采用鉆孔方式形成φ76排水孔，將滲水排入廊道內(nèi)集水井，再抽排至下游河床。

壩體碾壓混凝土設計強度采用90 d齡期C15三級配碾壓混凝土，根據(jù)防滲需要，壩體二級配碾壓抗?jié)B混凝土厚度為1.5 m～3.0 m，抗?jié)B等級為W6，強度為C20。二級配抗?jié)B碾壓混凝土與壩體三級配碾壓混凝土同倉上升碾壓。壩體迎水面采用C20二級配變態(tài)混凝土護面，兩岸岸坡與基巖接觸的墊層采用相同的二級配變態(tài)混凝土澆筑，下游面采用C20三級配變態(tài)混凝土澆筑，上、下游面變態(tài)混凝土層厚度均為50 cm。壩頂采用50 cm厚C20二級配常態(tài)混凝土鋪筑，作為壩頂防水層，同時使壩頂平坦。重力壩材料分區(qū)材料見表1。

表1 壩體分區(qū)材料統(tǒng)計表

4 基礎處理

壩區(qū)分布地層巖性河床至左岸坡巖性為寒武系下統(tǒng)耙郎組二段第二層(∈1p2-2)灰、深灰色薄層含鈣和粉砂泥質(zhì)板巖，夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r；耙郎組二段第一層(∈1p2-1)灰綠、黃綠色板狀頁巖，右岸為寒武系下統(tǒng)清虛洞組一段(∈1q1)灰、深灰色薄層泥質(zhì)灰?guī)r，河床發(fā)育一條斷層，斷層破碎帶寬2.5 m～4.0 m，兩側影響帶寬右岸一側約3 m～5 m。結合壩體結構對地基要求，大壩建基面開挖深度及開挖形狀，根據(jù)可利用基巖等高線擬定在弱風化巖體上部，一般基巖開挖深度約10 m～15 m。岸坡壩段壩高逐漸減小，利用基巖標準相對可以降低，受到河床斷層影響，在斷層帶垂直開挖深度約20 m～28 m左右，斷層處刻槽換填C15砼處理。

斷層開挖深度采用美國墾務局經(jīng)驗公式：d=0.002×b×H+5(單位英尺)，斷層破碎帶寬度按4 m計算，計算d=9.2英尺，折算約3 m，根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL 319-2018)7.5.2條，混凝土塞的深度可采用1.0～1.5倍斷層破碎帶的寬度，設計取斷層開挖深度為4 m，考慮兩側影響，破碎帶處理范圍擴寬至10 m，壩基上游延伸10 m，壩基下游延伸4 m作為砼換填處理范圍。兩側外的斷層影響范圍內(nèi)壩基采用固結灌漿處理，防滲帷幕采用加密處理方式，帷幕灌漿采用3排孔布置。對大壩基礎進行固結灌漿，灌漿孔間排距3 m，帷幕灌漿前深入基巖8 m，其余深入基巖5 m，間距3 m，梅花形布置。

5 深層抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)裂隙分布情況，左岸主要發(fā)育有①N60°～70°E/SE∠60～70°；②N70°～80°W/∠90°；③N30°W/SW∠70°～80°；④N10°～20°E/SE∠60°～70°四組裂隙；右岸主要發(fā)育有⑤N80°W/∠90°；⑥N10°E/∠90°兩組裂隙。不存在順河向緩傾上游裂隙，且裂隙均為陡傾裂隙，巖層產(chǎn)狀為緩傾5°向下游偏右岸，故該重力壩深層抗滑模式為沿層面，剪斷下游巖體滑出。根據(jù)地質(zhì)分析，左岸段以②、③組橫向裂隙為拉裂面，①、④組裂隙為側滑面，層面為底滑面剪斷巖體滑出；河床段以②、③、⑤組橫向裂隙為拉裂面，①、②組裂隙為側滑面，斷裂帶為底滑面剪斷巖體滑出；右岸段以⑤組橫向裂隙為拉裂面，⑥組裂隙為側滑面，層面為底滑面剪斷巖體滑出。斷層破碎帶寬度僅為2.5 m～4.0 m，考慮采用換填處理，處理寬度10 m，故河床段考慮以巖層層面為底滑面，②、③、⑤組裂隙均為陡傾裂隙，選取第③N30°W/SW∠70°～80°組裂隙為拉裂面進行計算，同時考慮下游以一定角度剪斷巖體進行抗滑穩(wěn)定驗算。

a.計算原則及假定

①計算按單寬進行；

②計算時不考慮上游拉脫面的“抗拉”作用，上游靜水壓力按延伸到拉脫面與層面的交點；

④不考慮側滑面的作用；

⑤作用于底滑面上的滲透壓力于壩基排水孔處考慮折減，折減系數(shù)α=0.25；

抗剪斷計算公式：

b.計算方法

按《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL 319-2018)附錄E中“等安全系數(shù)法”公式。采用剛體極限平衡法，假定ABD和BCD塊同時達到臨界平衡狀態(tài)(見圖1)，分別計算AB、BC的抗滑穩(wěn)定系數(shù)K1，K2。

圖1 雙滑動面示意圖

式中：W為作用于壩體上全部荷載的垂直分值(不包括揚壓力)；H為作用于壩體上全部荷載的水平分值；A1，A2分別為AB，BC的面積；α，β分別為AB，BC面的水平夾角；G1為壩基與滑動面間巖體自重；G2為下游側滑動面上巖體自重及作用于巖體上的水壓力；U1，U2，U3分別為作用于AB，BC，BD面上的揚壓力；Q，φ分別為BD面上的作用力，及其與水平面的夾角(取0°)。

用等安全系數(shù)法計算，K1=K2。

假設下游巖體剪斷角度為25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°幾種情況進行計算。非溢流壩段、溢流壩段示意圖見圖2。

圖2 深層滑動模式示意圖

計算結果見表2。

表2 安全系數(shù)計算結果表

由表2可知，假設下游巖體剪斷角度為25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°等五種情況時，最不利組合為40°，基本組合工況>3.0，特殊組合工況>2.5，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

6 結論

(1)對于壩基巖層傾角較緩的或存在軟弱夾層的，大壩可能會沿巖層層面或夾層層面產(chǎn)生深層滑動，沿一定角度剪斷下游巖體發(fā)生滑動破壞，對于這類巖層建基面，目前只能通過不同角度試算分析找出BCD塊抗力傾角β的最不利取值。具體如何選取合理的β角度有待于進一步深入研究。

(2)對于河床存在斷層的建基面，可根據(jù)斷層發(fā)育情況確定基礎處理措施，對于破碎不嚴重的斷層，可以用混凝土塞換填方式進行基礎處理，換填范圍可以根據(jù)規(guī)范要求確定。