邵家水庫混凝土面板堆石壩樞紐布置及結構設計

聶乾

摘 要：針對邵家水庫壩址區地質條件較復雜，壩基肩軟質巖巖體承載力低、裂隙密集發育、抗滑抗變形能力差等不利地質問題。結合地質勘探揭露成果，對壩型地質適應性、大壩樞紐布置、壩體結構參數等關鍵技術問題進行詳細論證和計算研究。分析成果表明：防滲加固等工程措施處理后，水庫具備蓄水條件。優選的混凝土面板堆石壩方案具有較高的工程匹配性和技術經濟性，可為同類型水庫工程建設提供參考。

關鍵詞：壩型比選;面板堆石壩;樞紐布置;邵家水庫

中圖分類號：TV641.43 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0063-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.014

The Layout and Structural Design for Concrete Face Rock-Fill

Dam of Shaojia Reservoir

NIE Qian

（Guizhou Zhongcheng Tianhe Water Conservancy Engineering Co.， Ltd.，Gui'an 550003，China）

Abstract： The complex conditions of topography and geological with low bearing capacity of soft rock mass， dense development fissures， poor anti sliding and anti deformation ability at dam foundation abutment has been introduced in Shaojia reservoir. Combining site reconnaissance， the key technical problems such as the dam type geological adaptability， the dam hydro-project layout and the dam body's structural parameters have been demonstrated and calculated in detail. The analyzing results show that after being treated with anti-seepage reinforcement and other engineering measures， the reservoir has water storage conditions. And the optimal schemes of concrete face rock-fill dam design scheme has high engineering matching and technical economy， and can provide reference for the construction of similar reservoir projects.

Keywords： dam type comparison and selection; concrete face rock-fill dam; hydro-project layout; Shaojia reservoir

1 工程概況

邵家水庫地處貴州省畢節市七星關區放珠集鎮，工程任務是供水和農田灌溉，解決放珠集鎮0.8萬人的用水問題，保障灌區598.67 hm2（其中旱地275.67 hm2、經果林323.00 hm2）的灌面用水，同時保障灌區4 210人和3 789頭牲畜用水，水庫總庫容為139萬m3，多年平均總供水量為166萬m3/a，其中向放珠集鎮供水水量為58.4萬m3/a，農村飲水供水量為22.5萬m3/a，多年平均灌溉供水量為76.5萬m3/a（P=80%時供水量為84.9萬m3/a），供水泵站裝機容量為2×160 kW，選定基本壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高52 m。

2 工程地質條件及壩型比選

2.1 工程地質條件

壩址區巖層單斜產出，產狀N42°～45°E/NW∠45°～50°，總體傾右岸、偏上游，為基本對稱的V形斜向河谷，在河灣地帶為走向河谷。壩址區分布三疊系下統飛仙關組（T1f）地層以及第四系（Q），地層單一，T1f巖性為薄層夾中厚層鈣質、泥質粉砂巖與砂質泥巖互層，厚度大于100 m，廣泛分布于壩址區河床及兩岸。壩基肩巖體多屬軟質巖，巖體承載力低，抗變形能力不一，壓縮變形及不均勻沉降明顯。加之壩址裂隙發育，巖體強度整體較低，抗滑、抗變形能力較差。根據上述壩址地形地質條件，結合水庫規模，就土石壩、重力壩及拱壩三類基本壩型而言，壩址區分布巖性為薄層夾中厚鈣質、泥質粉砂巖、砂質泥巖互層，總體屬較軟巖;壩址裂隙較發育，巖體強度較低，抗滑、抗變形能力較差;水庫大壩最大壩高達到52 m，修建拱壩的風險較大，且拱壩對壩肩及壩基建基面的質量要求較高、施工難度大、施工工藝復雜、工期長 [1]。因此，設計不考慮修建拱壩，故從壩型適應性分析宜優選土石壩和重力壩壩型。

2.2 壩型比選

從壩線地形地質條件來看，既可建重力壩，也可考慮建當地材料土石壩。但對于重力壩而言，其存在以下問題：①兩岸邊坡高陡，其工程措施處理工作難度大，且工程量大;②壩基巖體承載力低，抗變形能力不一，強度差異較大，壩基存在較突出的壓縮變形問題;③右岸地形單薄，為順向坡，為滿足壩基嵌深要求，大規模開挖勢必形成高陡邊坡，存在高邊坡不穩定問題，邊坡處理工程量較大。④壩址上下游均為河灣地形，壩頂溢洪道出口下泄洪水對沖左岸，出水條件較差，且左岸為順向坡，處理工作量大。同時，重力壩方案工程投資約12 244萬元，而土石壩方案樞紐部分投資僅為8 933.06萬元，重力壩方案投資較大，土石壩方案經濟性較優。由此可知，邵家水庫壩址修建重力壩適宜性、經濟性較差。因此，優選土石壩作為基本壩型。B5E7EC23-F76D-42D5-AB3B-40C48AEBBA28

對于土石壩，防滲體可選黏土、混凝土及瀝青混凝土等材料[2-3]。經實地勘察，工程區附近無集中成片、儲量和質量均滿足要求的黏土料場分布。瀝青混凝土施工受氣候條件影響大，邵家水庫所在地海拔較高，凝凍天氣發生頻率高，瀝青混凝土施工進度及施工質量難以控制。綜上所述，結合邵家水庫當地天然建筑材料的分布情況，土石壩代表壩型選擇施工技術簡單、筑壩強度高、可充分利用當地豐富的天然筑壩材料、壩體填筑不受氣候條件限制的混凝土面板堆石壩[4-5]，即優選混凝土面板堆石壩為邵家水庫工程的代表壩型。

3 混凝土面板堆石壩樞紐布置

邵家水庫樞紐包括大壩、溢洪道、取水兼放空建筑物等組成。

擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩軸線方位角NE73°45′57″，最大壩高52.0 m，壩頂寬度8.4 m，壩頂長124.17 m，壩頂高程1 498.00 m，壩頂上游設置倒T形防浪墻，防浪墻底高程1 497.25 m，防浪墻頂高程1 499.20 m，下游設防護欄桿。上、下游壩坡均為1∶1.4，下游壩坡在1 473.00 m高程設置2.0 m寬馬道。混凝土面板面板等厚0.40 m，面板共分11塊，受壓區單塊寬度12 m，受拉區單塊寬度8 m。面板上游依次為鋪蓋區（頂部高程1 469.50 m，水平寬度2.5 m），蓋重區（頂部高程1 471.50 m，頂部水平寬度5.0 m）;面板下游依次為墊層區（水平寬度3 m）、過渡區（水平寬度3 m）、堆石區（頂部高程1 494.25 m）及下游干砌塊石護坡（厚0.5 m）。周邊縫及面板垂直縫間均設有止水。溢洪道位于右岸，緊鄰大壩布置，軸線方位為SW197°55'54"，包括進水渠段、控制段、泄槽段、消能防沖段，總長143.49 m。取水兼放空建筑物位于大壩左岸，由導流洞改建而成，洞軸線方位角為SW205°24′2″，由閘井段、豎向轉彎段、洞身段、閘閥室段和出水明渠段組成。

4 大壩結構設計

4.1 壩頂高程

邵家水庫正常蓄水位為1 495.00 m，根據調洪計算結果，設計洪水位為1 497.03 m，校核洪水位為1 497.90 m。水庫位于山區峽谷地區，壩區多年平均風速1.4 m/s，多年平均最大風速12 m/s。按《混凝土面板堆石壩設計規范》（SL 228—2013）相關規定設計[6]，壩頂高程按各種運行情況的水庫靜水位加上相應壩頂超高后的最大值確定，壩頂高程計算成果如表1所示。

從表1可知，大壩防浪墻頂高程的控制情況為設計洪水位工況，根據規范規定，當壩頂上游側設有防浪墻時，壩頂超高可改為對防浪墻頂的要求。但此時在正常運用條件下，壩頂應高出靜水位0.50 m;在非常運用條件下，壩頂應不低于靜水位。因此，邵家水庫取壩頂高程1 498.00 m，防浪墻頂高于壩頂1.20 m，相應防浪墻頂部高程為1 499.20 m。

4.2 大壩結構布置

壩體分區從上游到下游分別為上游防滲補強區（石渣蓋重區1B、黏土鋪蓋區1A）、墊層區2A、堆石區（過渡區3A、堆石區3B）。此外，在周邊縫底部設有特殊墊層區2B，下游設0.5 m厚干砌塊石護坡。大壩標準斷面，如圖1所示。

4.2.1 上游防滲補強區。含黏土鋪蓋區1A和石渣蓋重區1B。考慮到壩高不高，水壓力小的實際情況，上游鋪蓋區僅采用黏土鋪蓋。其目的是在面板出現裂縫和面板之間的板間縫、面板與趾板之間的周邊縫張開時，形成防滲黏土鋪蓋輔助防滲作用，細料可隨水流進入縫中，并在面板下部墊層料反濾作用下來淤堵裂縫使其自愈而恢復防滲性能的雙重保護作用。死水位為1 483.00 m，取水兼放空孔底高程為1 475.50 m，50年淤沙高程1 475.20 m，確定上游防滲鋪蓋頂高程為1 469.50 m，頂寬2.5 m，上游坡1∶1.4，下游面緊貼面板和趾板。為防止防滲土料失穩流失，在黏土鋪蓋區1A上游側設蓋重區1B，采用開挖石渣填筑高程為1 471.50 m，頂寬5.0 m，上游坡1∶2.5。石渣蓋重各建筑物開挖石渣料，粒徑小于5 mm石渣料含量在0%～30%之間，設計干密度≥2.04 t/m3，相應孔隙率≤25%。

4.2.2 墊層區2A。邵家水庫墊層區2A墊層料采用料場灰巖開挖料，經人工破碎篩分后配置，顆粒級配應滿足以下要求：顆粒級配連續，最大粒徑為80 mm，小于5 mm的顆粒含量宜為35%～55%，小于0.075 mm的顆粒含≤8%。壓實標準按相對密度Dr≥0.85控制，設計干密度≥2.21 t/m3，或設計孔隙率≤18，壓實后的滲透系數為1×10-4～1×10-3 cm/s。根據貴州省已建水庫工程經驗，取墊層區水平寬度3.0 m。在周邊縫下游側設特殊墊層區2B。特殊墊層區位于基巖與趾板接觸區域，特殊墊層區高為3.0 m并向下游延伸3.0 m。特殊墊層料為料場爆破料場灰巖開挖料，經人工破碎篩分后配置。該料最大粒徑40 mm，小于5 mm的顆粒含量為40%～55%，小于0.075 mm的顆粒控制在≤8%，孔隙率≤18%。

4.2.3 堆石區。過渡區3A是墊層料與主堆石區的過渡料區，其水平寬度為3.0 m。它的作用主要是攔截墊層料中帶出的細顆粒，達到從墊層料向主堆石料粒徑的過渡，減小墊層料與主堆石料之間的強度差，達到變形模量的過渡。因此，過渡料應具有良好的級配，壓實后具有低壓縮性，高抗剪強度，并能對墊層料有反濾作用。過渡料與墊層料相似，3A區變形也對面板有較大影響，故仍要求用料堅硬、軟化系數低、密實度高，壓實后具有低壓縮性和高抗剪強度，并具有自由排水性能。顆粒級配應滿足以下要求：顆粒級配連續，最大粒徑不大于300 mm，小于5 mm粒徑顆粒含量為20%～30%，小于0.075 mm粒徑顆粒含量為≤5%，相對密度Dr≥0.85，設計干密度≥2.18 t/m3，壓實后的孔隙率≤19%，壓實后的滲透系數為1×10-3～1×10-2 cm/s。B5E7EC23-F76D-42D5-AB3B-40C48AEBBA28

堆石區3B位于過渡料下游，是面板壩承受水荷載及其他荷載的主要支撐體，要求具有低壓縮性，高抗剪抗壓強度，以確保在水荷載等作用下面板變形不超過允許值，并具有自由排水性能，透系數大于10-2 cm/s，施工及運行期均不產生孔隙水壓力。料場開采堆石飽和抗壓強度標準值為46.50 MPa，滿足筑壩要求。顆粒級配要求滿足：最大粒徑為800 mm，小于5 mm顆粒含量≤20%，小于0.075 mm顆粒含量≤5%;壓實標準按相對密度Dr≥0.85控制，設計干密度≥2.15 t/m3，壓實后堆石的孔隙率≤20%，滲透系數>5×10-2 cm/s，并具有自由排水功能。

4.3 壩址區防滲處理

4.3.1 基礎開挖。由于堆石體和地基因承受庫水壓力而產生的應力和變形主要分布在靠近上游三分之一范圍內，余下三分之二范圍內則較小。根據邵家水庫工程地質情況，整個基面內覆蓋層須全部清除，趾板基礎河床段可置于T1f鈣質、泥質粉砂巖、砂質泥巖弱風化巖體中上部，兩肩則可將基礎置于T1f鈣質、泥質粉砂巖、砂質泥巖弱風化巖體上部，建基面嵌深河床以下7～12 m左右，左岸嵌深7～11 m，右岸6～10 m，左岸嵌深稍大。并對整個建基面內的風化破碎帶、裂隙切割破碎帶的巖體采取適當清挖后可滿足建基面要求。主、次堆石區應進行合理地分區開挖，其中低壓縮區應清除強風化帶破碎巖體及全部覆蓋層，將基礎置于弱風化中上部較完整的基巖上;主堆石區間應清除強風化破碎巖體及全部覆蓋層，將基礎置于強風化上部;次堆石區則可清除表層殘坡積層、沖洪積層等及淺表部強風化層破碎巖體，整平地基后基礎即可滿足壩體堆石承載要求。

4.3.2 壩基防滲處理。在趾板基礎開挖過程中，爆破震動可能使巖體松動，從而降低其承載力。為提高巖石的強度及完整性，需要對趾板基礎進行固結灌漿。邵家水庫設計大壩趾板基礎固結灌漿孔共2排，孔距為3 m、排距為3 m，按兩序孔施工，共計布置灌漿孔130個。其中：第1排固結灌漿孔布置于帷幕孔上游;第2排固結灌漿孔布置于帷幕孔下游，固結灌漿孔底界進入基巖8 m，起灌高程為趾板頂部高程。同時，趾板基礎布置25錨桿，長4.5 m，間排距1.5 m，進行梅花形布置。

5 結語

邵家水庫是畢節市七星關區放珠集鎮重要的灌溉和供水工程，屬峽谷型水庫。壩址區地質地形條件較復雜，存在軟質巖承載力低、裂隙發育、抗變形能力差等不利地質問題。為確保水庫大壩樞紐布置方案具有較高安全可靠性和節能經濟性，結合地質勘探成果，設計優選地質適應性強、施工技術成熟、經濟效益較高的混凝土面板堆石壩方案。并對樞紐布置和大壩結構體型進行了詳細論證設計，可為工程安全可靠施工建設提供重要的技術指導。

參考文獻：

[1] 趙志遠，龍明星，李斌旭.毛竹林水庫混凝土面板堆石壩設計[J].水利技術監督，2018（5）：221-224.

[2] 平凡，劉佳.信豐三只水水庫大壩設計方案比選[J].水利規劃與設計，2018（11）：187-191.

[3] 時鍇欣，唐毅，蔣昊楠.鐘呂水電站混凝土面板堆石壩趾板設計[J].水利水電快報，2021，42（S1）：6-8.

[4] 李振綱.吉音水利樞紐面板堆石壩趾板設計[J].吉林水利，2019（11）：21-24，29.

[5] 蒲榮松，萬學淵.中咀坡水庫面板堆石壩設計[J].小水電，2018（3）：23-25.

[6 ] 胡海濤.德昌縣和平水庫工程混凝土面板堆石壩設計[J].四川水利，2020，41（2）：50-53.B5E7EC23-F76D-42D5-AB3B-40C48AEBBA28