某水庫面板堆石壩設計與土石方平衡規(guī)劃

杜躍普

(河南靈捷水利勘測設計研究有限公司，河南 南陽 473000)

1 引言

某水庫控制流域面積112.30 km2，總庫容983.30萬m3，興利庫容562萬m3，以灌溉供水為主的小(1)型水利工程。樞紐建筑物主要包括大壩、溢洪道及兩座灌溉引水洞，大壩擬采用混凝土面板堆石壩，對壩址地質(zhì)、地形條件的適應性較強。充分利用開挖料和當?shù)夭牧希岣唛_挖料直接上壩率，是混凝土面板堆石壩設計和實施的關(guān)鍵所在。分析壩址處地形、地質(zhì)條件，統(tǒng)籌考慮樞紐各建筑物布置，按照料盡其用、以需定挖的原則優(yōu)化確定大壩和溢洪道斷面設計。通過土石方平衡規(guī)劃，優(yōu)化料物調(diào)度，達到提高開挖料直接上壩率、降低工程造價的目的。

2 基本資料

2.1 水文及設計洪水

壩址區(qū)屬北亞熱帶季風型大陸性氣候，年平均氣溫15.10℃，極端最低氣溫為-14.20℃，極端最高氣溫42℃，多年平均風速2.10 m/s，多年平均水面蒸發(fā)量769 mm。多年平均降雨量為780 mm，降雨年內(nèi)分配極不均勻，其中6-9月降雨量約占全年降雨量的61.80%，降雨年際變化大，最大年降雨量約為最小年降雨量的3.20倍。水庫50年一遇設計洪水洪峰流量為1 931 m3/s，500年一遇校核洪水洪峰流量為3 104 m3/s。

2.2 地形、地質(zhì)

2.2.1 地形地貌

壩軸線處河谷底寬約23 m，高程256.23～257.00 m，谷底與兩岸山頂相對高差超過46 m。河谷為“U”型，右岸有人工修筑的耕地和房屋。兩岸山體基本對稱，左岸山體自然坡度35°～40°；右岸山體自然坡度22°～25°，兩岸植被發(fā)育良好。

2.2.2 地質(zhì)條件

分布于壩址的地層較單一，主要為華力西期花崗巖及作為圍巖捕虜體及殘留頂蓋的云母石英片巖和大理巖，右岸分布有少量的殘坡積礫質(zhì)土。①左壩肩山體呈北東—南西向，山體雄厚，壩肩巖性為花崗巖夾薄層云母石英片巖，強風化厚度3.50 m，以下為弱-微風化巖石。該壩肩上部巖石強風化厚度3.50 m，巖石透水率54.63 Lu，中等透水，弱風化巖石厚27.40 m，巖石透水率3.98～30.40 Lu，弱-中等透水；其下微風化巖石，巖石透水率0.48～0.51 Lu，弱透水。左壩肩存在繞壩滲漏問題。②右壩肩山體呈北西-南東向，山體較雄厚。壩肩巖性為花崗巖，夾薄層大理巖及云母石英片巖捕虜體，在山坡、坡腳上零星分布有礫質(zhì)土，厚度約2.70 m。該壩肩上部巖石強風化厚度3.90 m，巖石透水率20.65 Lu，中等透水，弱風化巖石厚8.80 m，巖石透水率17.12～27.59 Lu，中等透水；其下微風化巖石，巖石透水率2.80～45.40 Lu，弱-中等透水。右壩肩存在繞壩滲漏問題。③河槽段壩址河床偏于左岸，巖性為花崗巖夾云母石英片巖捕虜體，弱風化巖石厚度為4.80 m，巖石透水率64.10 Lu，中等透水；下部為微風化巖石，巖石透水率0.64～37.40 Lu，弱-中等透水。因此河槽段存在壩基滲漏問題。壩基巖石花崗巖為硬質(zhì)巖石，但風化程度不一，結(jié)合巖石結(jié)構(gòu)和巖體完整程度，確定承載力為：強風化500 kPa，弱風化2 000 kPa，微風化2 500 kPa。

3 樞紐布置及主要建筑物

3.1 樞紐布置

壩址區(qū)河谷為“U”型河谷，壩基為弱～微風化花崗巖，上游料場石料較豐富，上游河道左岸有天然埡口，適合布置泄洪設施。壩址處壩頂長度與壩高之比為4.90，屬寬淺式河谷，有利于混凝土面板堆石壩布置，且壩體受力條件較好。

樞紐建筑物主要包括混凝土面板堆石壩、溢洪道及兩座灌溉引水洞。大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高44.60 m，壩頂總寬6 m，凈寬5.30 m，壩頂長220 m。溢洪道位于大壩上游左岸埡口處，由進水渠、鋪蓋段、控制段、護坦段及尾水渠段等組成，順水流向總長328 m，堰頂凈寬90 m。兩座灌溉引水洞分別布置在大壩左右岸，洞身采用隧洞型式。

3.2 主要建筑物

3.2.1 混凝土面板堆石壩

最大壩高53 m，壩頂高程301.50 m，壩頂總寬6 m，壩頂長216 m，大壩上、下游壩坡均為1∶1.40。根據(jù)壩體不同部位的受力情況和變形性狀，依據(jù)各區(qū)壩料之間應滿足水力過渡和變形模量遞減的原則，壩體分區(qū)從上游到下游共分10個分區(qū)：鋪蓋區(qū)1A、蓋重區(qū)1B、墊層區(qū)2A、特殊墊層區(qū)2B、過渡區(qū)3A、壩頂堆石區(qū)3A1、主堆石區(qū)3B、次堆石區(qū)3C、塊石護坡區(qū)3D及拋石區(qū)3E，見表1所示。在周邊縫下游側(cè)設置特殊墊層區(qū)；墊層區(qū)與過渡區(qū)水平寬度均為3 m；次堆石區(qū)頂部高程295.00 m，上游側(cè)邊坡1∶0.50。面板混凝土采用厚0.40 m的C30鋼筋混凝土，抗?jié)B等級W8，抗凍等級F150。在面板截面中部設單層雙向鋼筋，縱橫向配筋率均為0.35%。

表1 壩體材料分區(qū)及填筑參數(shù)表材料分區(qū) 粒徑級配要求 初定碾壓參數(shù)

壩頂路面厚18 cm C20混凝土，下設厚15 cm碎石墊層。壩頂上游側(cè)設高5 mL型C25鋼筋混凝土防浪墻，頂部高程304.20 m，底部高程299.20 m。交通觀測平臺高程300.00 m，平臺寬1 m，平臺外側(cè)設高1.20 m不銹鋼欄桿。壩頂下游側(cè)設高3 mL型C25鋼筋混凝土低擋墻，頂部高程303.80 m，底部高程300.80 m。

上游壩坡1∶1.40，在高程274.00 m以下填筑粘土鋪蓋及棄渣料蓋重。粘土鋪蓋頂寬3 m，上游邊坡1∶1.60，蓋重區(qū)頂寬3 m，上游邊坡1∶20。下游壩坡1∶1.40，厚40 cm干砌石護坡，分別在高程293.00 m處及278.00 m處設寬2 m馬道。

趾板下部基巖進行帷幕灌漿和固結(jié)灌漿。趾板寬6.00 m，厚0.50 m，采用C30鋼筋混凝土。趾板基礎設2排固結(jié)灌漿和1排帷幕灌漿，固結(jié)灌漿孔深8 m，帷幕灌漿孔深按q≤3 Lu控制。帷幕灌漿設在固結(jié)灌漿中間，排距1.50 m。

3.2.2 溢洪道

溢洪道位于壩址上游左岸埡口處，由進水渠、鋪蓋段、控制段、護坦段及尾水渠組成。控制段采用WES實用堰，末端采用挑流消能。控制段堰頂高程295.45 m，堰前進水渠總寬98 m，堰頂凈寬90 m；挑流段鼻坎高程285.00 m，反弧半徑10 m，挑角19°。尾水渠段總長209 m，底寬98～70 m。①進水渠總長80 m，底寬98 m，地面整平至高程294.00 m。左岸采用厚50 cm的C25鋼筋混凝土直擋墻，墻高10 m，墻頂以上按1∶0.50分臺階削坡，并采用C20混凝土噴護；右岸為現(xiàn)狀岸坡。②鋪蓋段長12 m，底寬98 m，底板高程294.00 m，底板采用厚50 cm的C25鋼混凝土筋結(jié)構(gòu)，左、右岸采用厚50 cm的C25鋼筋混凝土直擋墻，墻頂以上按1∶0.50分臺階削坡，并采用C20混凝土噴護。③控制段采用C25鋼筋W混凝土ES實用堰，長23 m，堰頂高程297.00 m，總寬98 m，凈寬90 m。堰面下游直線段坡比1∶0.70，末端接挑坎段，鼻坎高程285.00 m，半徑10 m，挑角19°。④護坦段長8m，底寬70m，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板高程282.50 m。⑤尾水渠長209 m，底寬98～70 m，為增加開挖量、降低邊坡防護工程量，底板及兩側(cè)岸坡均不護砌，采用梯形斷面，坡比1∶0.75。

3.2.3 兩座灌溉引水口

兩座引水口分別布置在左右岸，洞身采用隧洞型式，進口采用豎井結(jié)構(gòu)，出口設陡坡、消力池與下游渠道銜接。

3.2.4 施工導流建筑物

施工導流采用一枯攔洪方案，即第一個枯水期由上游圍堰攔洪，導流隧洞泄洪；第一個汛期由壩體臨時斷面擋水，導流隧洞與溢洪道(開挖斷面)聯(lián)合泄洪，壩體填筑至度汛高程299.20 m；第二個枯水期完成大壩全部填筑工程；枯水期導流標準采用非汛期5年一遇，設計洪峰流量為25.50 m3/s；度汛標準采用20年一遇，設計洪峰流量為1 457 m3/s。導流隧洞位于左岸，總長330 m，斷面型式為城門洞型，底寬2.00 m，高2.50 m。

4 土石方平衡規(guī)劃

根據(jù)確定的樞紐布置、大壩和溢洪道等建筑物斷面設計，壩體各分區(qū)料物數(shù)量及料源見表2。

表2 壩體各區(qū)料物數(shù)量及料源表

4.1 規(guī)劃原則

土石方平衡規(guī)劃的原則：①料盡其用：面板堆石壩的壩料除了墊層料、排水料等材料外，均應優(yōu)先采用當?shù)夭牧希⑹紫瘸浞掷瞄_挖料。弱風化巖石開挖料優(yōu)先用于墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、壩頂堆石區(qū)，強風化巖石開挖料主要用于次堆石區(qū)、蓋重區(qū)，壩基覆蓋層剝離料用于施工臨時道路填筑，最大限度地利用開挖料，減少棄料。②以需定挖：根據(jù)壩體填筑方量，優(yōu)先將溢洪道、隧洞及壩基開挖料用于填筑壩體。不足時，對溢洪道采取較保守的設計邊坡，在節(jié)省邊坡處理費用的同時，增加開挖料以滿足土石方平衡的要求。③減少占地、直接上壩：可利用開挖料直接上壩或經(jīng)料場暫存后上壩，做好施工組織設計，開挖料盡可能多地直接上壩，減少料場中轉(zhuǎn)占地，以節(jié)約投資。

4.2 土石方平衡規(guī)劃

大壩壩體填筑所需石料包括堆石料和砂石加工系統(tǒng)所需的母巖石料，工程共需石料37.60萬m3(實方、碼放)。大壩、溢洪道、隧洞開挖料經(jīng)過分選，可利用的硬巖料21.81萬m3，軟巖料11.35萬m3，剝離料3.36萬m3，合計36.52萬m3(自然方)，工程可利用料見表3。在遵循上述“物盡其用、以需定挖、減少占地、直接上壩”的原則，考慮開采、運輸、堆存的損耗系數(shù)和利用系數(shù)，對土石方平衡規(guī)劃如下。

表3 工程可利用料統(tǒng)計表

溢洪道開挖料：①軟巖主要用于填筑壩體次堆石區(qū)3C；②硬巖主要用于填筑壩體主堆石區(qū)3B、塊石護坡區(qū)3D、拋石區(qū)3E以及經(jīng)砂石加工系統(tǒng)加工后填筑墊層區(qū)2A、特殊墊層區(qū)2B、壩頂堆石區(qū)；③覆蓋層剝離料主要用于填筑施工臨時道路，余土作為棄渣處理。壩基開挖料：①覆蓋層剝離料用于填筑圍堰；②強風化開挖料主要用于填筑壩體蓋重區(qū)1B。兩座灌溉引水隧洞和導流隧洞開挖料經(jīng)過砂石加工系統(tǒng)加工后作為壩體混凝土骨料使用。土料場開挖料用于壩體鋪蓋區(qū)1A填筑。經(jīng)土石方平衡分析，除大壩鋪蓋區(qū)粘土采自土料場，溢洪道覆蓋層部分剝離料作為棄土外，工程開挖料全部用于壩體填筑。

5 結(jié)論

混凝土面板堆石壩屬當?shù)夭牧蠅危瑢沃返刭|(zhì)、地形條件的適應性較強，是具有較強競爭力的壩型之一。根據(jù)混凝土面板堆石壩壩體不同部位的受力情況和變形性狀，按照各區(qū)壩料之間應滿足水力過渡和變形模量遞減的原則，設計壩體分區(qū)。按照“料盡其用、以需定挖”的原則，統(tǒng)籌考慮水庫樞紐面板堆石壩和溢洪道等建筑物的斷面設計，對溢洪道采取較保守的設計邊坡，在節(jié)省邊坡處理費用的同時，增加開挖料以滿足壩體填筑方量的要求。通過土石方平衡規(guī)劃，優(yōu)化料物調(diào)度，提高開挖料直接上壩率，做到了充分、合理規(guī)劃利用開挖料，有效減少了料物轉(zhuǎn)運臨時占地，降低工程造價。