蓄水工況下大壩加高擴建關鍵技術分析

黃 凱，張笮娜，袁麗娜

(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

遵義市紅巖水庫工程大壩位于遵義市巷口鎮，該工程于1958年動工興建，后因三年自然災害停建，于1992年4月續建，1994年9月完工，并于2006年10月增設6扇弧形閘門及配套設施。目前已建成的紅巖水庫總庫容653萬m3，正常蓄水位884.66m，相應庫容510萬m3，死水位874.66m，死庫容100萬m3，屬于小(1)型水庫，壩型為漿砌石拱形重力壩，最大壩高26.3m，現狀壩頂高程887.660m，壩體拱形外半徑200m，。隨著遵義市城市規模不斷增大，人口的不斷增加及工業的不斷發展，目前遵義城區經濟發展需要與現狀供水能力已不相適應。因此，對紅巖水庫進行加高擴建，解決城區缺水問題。

紅巖水庫大壩加高擴建后，正常蓄水位為894m，總庫容1976萬m3，工程等別變為Ⅲ等，工程規模變為中型，最大壩高抬高至37.50m。紅巖水庫加高主要為遵義市主城區供水年總供水量2747萬m3，加高部分增加可供水量1827萬m3，設計流量為1.05m3/s。

2 施工期臨時蓄水水位設計

2.1 施工導流程序

大壩加高施工期需保證大壩安全并實現下游基坑干地施工，應盡量降低庫水位；紅巖水庫目前是遵義市紅花崗區供水水源，施工期間為保證供水，應盡量保持水庫高水位；為解決上述矛盾，結合壩體施工期導流方案及相應施工進度計劃，對水庫進行施工期調洪計算，在保證大壩施工安全的前提下根據計算提出合理的臨時蓄水位。

根據水庫施工導流方案及施工進度計劃，本工程施工導流程序為：

1)第1年11月-第2年3月(一期)

不拆除現有溢洪道閘門，利用原壩體擋水，關閉沖沙底孔進口閘門，利用φ1200取水管(原大壩供水管)過流的施工導流方式。導流標準為5年一遇枯期洪水，流量為23.7m3/s。

2)第2年4月-第2年10月(汛期)

利用壩體臨時斷面擋水，施工度汛采用預留缺口+底孔+取水管三者聯合度汛，度汛標準為20a一遇全年洪水標準，度汛設計流量為503m3/s。

3)第2年11月-第3年3月(二期)

利用壩體擋水，底孔+取水管(原大壩供水管)過流進行施工導流，導流標準與一期相同。

2.2 施工進度計劃

根據施工導流計劃，因加高大壩不易新建導流設施，主要采用原有壩體取水及泄洪設備導流，故工程主體施工主要安排于兩個枯期進行，汛期主要進行輔助及配套工程施工，主要施工進度計劃為：一期不拆除溢洪道閘門，進行河床部分基礎開挖、河床段墊層澆筑、固結灌漿、河床段壩體砌筑、河床段帷幕灌漿及壩體充填灌漿(原壩頂鉆孔灌漿)、上游面防滲涂料等施工。采用現有壩體和閘門擋水，關閉沖沙底孔，采用取水鋼管施工導流。二期拆除溢洪道閘門后，主要進行原溢洪道結構拆除、改建溢洪道結構澆筑及閘門安裝等。

2.3 施工期蓄水水位選取

1)第1個枯水期(一期)蓄水水位選取

原大壩正常蓄水位運行多年，大壩上游面、供水取水口井筒、沖沙兼放空底孔等現狀具體情況未知，同時，原大壩加高擴建河床段帷幕灌漿時庫水位越低灌漿效果越好且上游壩面需增設防滲涂料，考慮第1年11月-12月降低庫水位施工。根據《遵義市南郊水廠遷建及配套管網工程初步設計》，采用庫內浮船泵站取水(浮船安裝時，庫內水位為原大壩正常蓄水位884.66m)，浮船最低運行水位876.5m。根據施工進度計劃結合浮船運行安全，第1年11月-12月降低庫水位至876.5m水位施工。

第2年1月-3月，此階段仍采用原壩體及溢洪道閘門擋水，在保證大壩河床基礎開挖安全施工、原大壩安全穩定基礎上，抬高庫水位盡可能多的供水。河床基礎開挖后，大壩下游側形成新的滑動臨空面，根據大壩抗滑穩定計算復核，水庫水位不得高于881.90m，即第2年1月-3月水庫庫水位不超過881.90m。

2)第2個枯水期(二期)蓄水水位選取

本時段為第2年11月-第3年3月，該施工時段主要進行原溢洪道結構拆除、改建溢洪道結構澆筑及閘門安裝等施工。由于原有閘門已拆除，該時間段水庫水位加風浪壅高不得高于堰頂高程881.66m。同時又需要盡可能滿足下游城市供水需求，經計算相應頻率洪水位壅高1.11m，選取相應的水庫二期最高水位為880.50m。既保證下游施工作業面干地施工有最大可能滿足供水需求。

2.4 不同蓄水位下供水能力復核

一期施工庫水位：①第1年11月-12月，本階段降低水位至876.5m進行上游面及原壩體防滲體施工，此階段供水能力下降較多僅可供水32萬m3，近乎供水能力，但該階段僅持續1個月，時間較短；②第2年1月-3月，水庫蓄水位為880.90m，對應庫容309萬m3，死水位為874.66m，死庫容100萬m3，興利庫容209萬m3，可供水161萬m3(95%)，與現狀水庫該時段供水量相比，水庫供水量減少219萬m3。

二期施工庫水位：第2年11月-第3年3月，水庫蓄水位為880.50m，對應庫容290萬m3，死水位為874.66m，死庫容100萬m3，興利庫容190萬m3，可供水84萬m3(95%)，與現狀水庫該時段供水量相比，水庫供水量減少297萬m3。

紅巖水庫現狀供水情況為：城市可供水量為920萬m3/a(P=95%)，無灌溉任務。遵義市主城區現狀總供水量為24380萬m3/a，紅巖水庫現狀供水量占比為3.77%。遵義市主城區為多水源聯合供水，城區現有各水廠已聯網運行。紅巖水庫加高擴建工程實施時，水庫現狀供水量減少，供水量減少部分可通過聯網調配，以保障主城區用水。加高擴建方案的設計和施工均在此基礎上展開[1]。

3 壩體加高結構計算

3.1 壩體結構設計

工程推薦規劃壩址原拱形重力壩加高方案，擋水大壩在原大壩上加高。加高后，壩頂高程提升至896.50m，由于下游壩段建基面開挖高程為859.00m，拱形重力壩最大壩高由原26.3m抬高至37.50m。為滿足溢洪道閘門安裝、及水庫運行過程中管理人員觀測等要求，同時滿足壩體抗滑穩定要求，綜合各項因素后壩頂寬度取為8.0m，另經上游水位計算壩頂可不設防浪墻，僅設置石材欄桿。壩軸線弧長150.70m，壩軸線圓弧半徑200m，右岸弧角21.05°，左岸弧角22.12°。大壩左右兩岸為非溢流壩段，位于樁號壩橫0+000.0m-壩橫0+049.469m、壩橫0+097.479m-壩橫0+150.700m。 河床段為溢流段，共長48.0m。

壩體非溢流壩段上游面垂直，下游壩坡為1∶0.8，下游起坡點高程為893.00m，壩頂寬8m。溢流壩段總長48.0m，設置5孔開敞式溢洪道表孔，堰頂高程890.00m。表孔設有7×4m(寬×高)弧形工作閘門，根據全年水位計算，溢洪道需設檢修閘門用以工作閘門檢修需要。溢洪道溢流堰面采用WES實用堰，下游泄槽段坡比采用1∶1.25上接溢流堰堰面，下接挑流鼻坎反弧段，溢洪道采用挑流消能，鼻坎后設置10m長護坦，挑流鼻坎高程872.443m，挑射角15°。

圖1 非溢流壩段壩體加高結構設計圖

3.2 壩頂高程計算

紅巖水庫加高擴建工程大壩為3級建筑物，大壩為50a一遇設計洪水標準，為500a一遇校核洪水標準。根據水文專業調洪成果，水庫正常蓄水位取為894.00m時，水庫設計洪水位計算值為894.17m (P=2.0%)，水庫校核洪水位計算值為895.11m(P=0.2%)。根據規范要求，壩頂高程應根據水庫靜水位以及各種運行工況下相應安全超高兩者聯合計算所得，按照以下兩種情況計算，取兩者較大值作為壩頂高程計算值：

1)正常蓄水位+正常運用情況的安全超高

2)校核洪水位+非常運用情況的安全超高

壩頂超高計算公式：

Δh=h1%+hz+hc

(1)

式中：h1%為波高，m；hz為波浪中心線與正常或校核洪水位的高差，m；hc為安全超高，m，按SL319-2018中表4.2.1規定：正常蓄水位工況下超高取0.4 m，校核洪水位工況下超高取0.3 m。

3.2.1 風浪要素計算

W<20m/s，D<20000m，采用官廳水庫公式計算：

(2)

(3)

式中：h為當gD/W2=20-250時，為累積頻率5%的波高h5%，m；當gD/W2=250-1000時，為累積頻率10%的波高h10%，m；W為計算風速，該地多年平均最大風速根據氣象資料為16.3m/s，在正常蓄水位工況下，計算風速可取為多年平均最大風速的1.5倍，為24.45m/s，校核洪水時計算風速取多年平均最大風速；D為吹程，該水庫吹程為0.7km；Lm為平均波長，m[2]。

計算結果見下表：

表1 風浪計算成果表

3.2.2 hz(波浪中心線至計算水位的高度)確定：

(4)

式中：H為擋水建筑物迎水面前的水深，m；校核洪水位時壩前水深：36.10m；正常高水位時壩前水深：35.17m；h1%為累積頻率1%的波高。

表2 hz值計算表

3.2.3 壩頂高程確定

根據上述工況下的水庫靜水位加上相應安全超高后的最大值確定最紅壩頂高程。計算成果見表3：

表3 拱形重力壩壩頂高程計算成果表 m

由表3可確定壩頂高程為896.50m。

3.3 大壩穩定及應力計算

3.3.1 壩體抗滑穩定計算

按抗剪斷強度公式如下：

(5)

式中：K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′、c′為分別為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數和抗剪斷凝聚力，kN/m3；A為壩基接觸面截面積，m2；∑W—壩體上所有荷載相對于對壩基滑動平面的法向分力，t，計算壩底揚壓力時，取壩基排水幕折減系數0.25、兩岸坡排水幕折減系數0.35，施工期考慮原壩基排水孔年久失效，帷幕折減系數0.6；∑P為壩體上所有荷載相對于滑動平面的切向分力，t。

根據壩基及壩體力學參數選用抗剪斷公式計算壩體抗滑穩定。抗剪斷系數在荷載基本組合工況下>3.0，在荷載特殊組合工況下>2.5。

工程壩體在進行抗滑穩定及應力計算時，分了5種典型壩段分別進行計算：①河床非溢流壩段；②河床溢流壩段；③左岸近河床非溢流壩段；④右岸近河床非溢流壩段。⑤右岸壩肩段。

經計算，大壩施工期下游河床基礎開挖后，大壩下游側形成新的滑動臨空面，其基本組合的壩基抗滑穩定安全系數K′>3.0，滿足規范要求；完建期大壩沿新老壩體建基面滑動，其基本組合的壩基抗滑穩定安全系數K′>3.0；特殊組合工況下的壩體抗滑穩定安全系數K′>2.5，以上計算成果均滿足規范要求[3]。

3.3.2 壩體應力計算

可采用材料力學法計算壩體應力，計算成果需保證在規定荷載組合下滿足壩基面垂直正應力

工程原壩體采用M7.5漿砌塊石，原壩體塊石平均飽和抗壓強度30MPa，根據《砌石壩設計規范》(SL25-2006)，其容許壓應力值：基本荷載組合2.6MPa，特殊荷載組合3.0MPa。壩體加高部分采用C10細石混凝土砌毛石，依照《混凝土重力壩設計規范》(SL319-2018)，其容許壓應力值：基本荷載組合2.1MPa，特殊荷載組合2.5MPa。

地基弱風化巖體抗剪斷強度混凝土/巖石(弱風化)f′=0.6，c′= 0.3Mpa；承載力fk=1.2MPa。

計算公式如下：

(6)

式中：T為壩體計算截面上游、下游方向的寬度；∑W為計算截面上全部垂直力之和，以向下為正；∑M為計算截面上全部垂直力及水平力對于計算截面形心的力矩之和，以使上游面產生壓應力者為正[4]。

經計算，壩體最大壓應力0.423MPa，且各種組合下均未出現拉應力，滿足規范設計要求。

4 結 論

目前我國現存較多不滿足現狀需求的水利工程，后續將會出現大量水利工程除險加固或加高擴建，遵義市紅巖水庫加高擴建針對壩體穩定及應力計算等方面進行壩體加高設計，并對大壩加高現狀以及供水與施工矛盾等方面進行了充分考慮，結合施工進度計劃及壩體施工安全針對施工期蓄水水位作了詳細計算及設計，對類似工程具有一定借鑒作用。