碧湖水庫混凝土重力壩設計

李 明

(江西省水利水電開發有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程概況

碧湖水庫位于萍鄉市湘東區白竺鄉會雙村境內，洞庭湖水系湘江一級支流淥水支流麻山水中游河段。壩址控制流域面積164 km2，多年平均徑流量1.565億m3。水庫正常蓄水位184.00 m，死水位160.00 m， 50年一遇設計洪水位184.27 m，500年一遇校核洪水位186.60 m；水庫總庫容2178×104m3；是一座以城鎮供水、灌溉為主，兼顧發電等綜合利用效益的中型水庫。

工程建成后：每年可向萍鄉市主城區、湘東區提供4530×104m3清潔飲用水源，解決遠期萍鄉市主城區、湘東區城區、水庫下游鄉鎮的生活及部分水質要求較高企業的用水需求，從而為湘東區城市建設和國民經濟持續發展提供清潔優質的供水水源，使城市居民的生活用水質量得到有效改善，人民群眾的健康水平得到明顯提高；作為灌溉水源，可改善壩址下游兩岸的源并石灌區0.15萬hm2農田灌溉，灌溉保證率可由60%～70%提高到85%；同時，碧湖水庫水力發電，對于節能減排具有重要意義。

2 工程總體布置

設計采用壩型為混凝土重力壩，消能采用挑流消能方式，發電、灌溉引水采用現有隧洞輸水，壩上新建供水取水口。

大壩左岸較右岸陡，現狀沒有交通，右岸壩址下游230 m以下段為相對平坦開闊地，已布置有原碧湖水電站廠房、供水管線及進場簡易道路，因此，原碧湖水電站廠房保留，考慮投資及水庫運行管理，碧湖水電站現狀引水隧洞保留，壩上新建供水取水口；溢流壩段布置于大壩中間，非溢流壩段布置在溢流壩兩側，取水口位于大壩右岸，中心線樁號為壩橫0+131.00；上壩公路布置在大壩上游右岸，與進場道路連接；水庫管理區布置在大壩右岸。

本樞紐工程主要由混凝土重力壩、壩上取水口、消能等建筑物組成，壩軸線長191.5 m，從左至右依次布置有：左岸非溢流壩段(長92.5 m)、溢流壩段(長34.0 m)、右岸非溢流壩段(長65.0 m)。供水取水口布置于大壩右岸壩段，中心線樁號為壩橫0+131.0 m。溢流壩采用挑流消能，灌溉利用發電尾水。

3 大壩基本剖面設計

3.1 非溢流壩段

非溢流壩段壩頂高程為187.5 m，大壩基礎最低開挖高程為127.0 m，最大壩高60.5 m，壩頂寬度取7.0 m，壩體最大底寬51.83 m，壩體上、下游均設置齒槽。壩上游面151.0 m高程以上采用垂直坡，151.0 m高程以下采用1∶0.2的邊坡，壩下游面179.5 m高程以上采用垂直坡，179.5 m高程以下采用1∶0.75的邊坡。非溢流壩段按9.0～19.5 m設置一橫縫，縫間設銅片及橡膠止水。壩內設有基礎灌漿排水廊道，基礎灌漿排水廊道為城門洞型，斷面尺寸2.5 m×3.5 m(寬×高)，左右兩側分別設置交通廊道，出口設置在大壩下游靠岸坡處。

非溢流大壩上游面采用C9020W6混凝土防滲層，防滲層厚3.0 m，上游防滲層后采用C9015W4混凝土，下游臨水面采用C9020W6，厚3.0 m，堰體基底采用C9020W6，厚3.0 m。

3.2 溢流壩段

溢流壩段樁號范圍為0+092.5～0+126.5，坐落于微風化巖石上，垂直水流方向長34.0 m，順水流長56.5 m，溢流總凈寬27.0 m，共設3孔，單孔溢流凈寬9.0 m。溢流壩基底高程127.0 m，堰頂高程178.0 m，閘墩頂高程187.5 m，最大壩高60.5 m，中墩厚2.0 m，邊墩厚1.5 m，閘頂布置液壓啟閉機房，閘底板內布置灌漿排水廊道。溢流壩工作門采用弧形鋼閘門，要求局部開啟、動水啟閉。

溢流壩堰面采用WES曲線，按冪曲線y=0.0878X1.85與下游1∶0.75壩坡相接，溢流堰原點上游用三圓弧與上游壩面相接。

溢流壩消能采用挑流消能方式，主壩溢流面與下游挑流鼻坎連接，挑流鼻坎高程為144.38 m，挑角18°，反弧半徑為18 m，將水流消能后挑射至下游河床。下游護坦長30 m，底板高程132.50 m，底板混凝土厚度0.8 m，護坦兩側設重力式擋墻，護坦底板設φ70排水管，梅花形布置。

溢流壩灌漿排水廊道下游設滲漏集水井，集水井設置2臺WQ2210-417型自耦式安裝的潛水排污泵抽排廊道內滲漏積水，灌漿排水廊道為城門洞型，底高程為135.00 m，斷面尺寸2.5 m×3.5 m(寬×高)，滲漏集水井斷面尺寸2.5 m×3.5 m(寬×高)。

溢流壩堰面采用C40W6混凝土防沖耐磨層，厚2.0 m，堰體上游面采用C9020W6混凝土防滲層，防滲層厚3.0 m，上游防滲層后采用C9015W4混凝土，堰體基底采用C9020W6，厚3.0 m，閘墩混凝土采用C25W6，護坦混凝土采用C25W6。

4 壩基基礎處理

(1)壩基開挖支護及地質缺陷處理。壩基開挖深度及形狀根據基巖等高線初步擬定，并根據樞紐布置和具體建筑物的設計要求加以調整修正。河床壩段，壩高60.5 m，根據巖體風化特性及物理力學參數，大壩主要選取弱風化下部及微風化層作為壩基持力層，僅左、右壩頭選取弱風化上部層作為持力層，河床開挖深度約7 m；岸坡壩段挖成臺階狀，隨著壩高的不斷降低，利用基巖的標準也可逐漸下降，兩岸水平開挖深度在11～21 m。壩基開挖約10 m高差設置一開挖平臺(馬道)，平臺寬度不小于2 m。壩基開挖順序為先上部后下部，先岸坡后河床，自上而下分層分臺階開挖，為防止壩基巖石風化，主壩基開挖施工過程中應預留保護層，做好基坑防護。

大壩建基面上出露的斷層F4、F5，為提高斷層帶的強度使其與周圍基巖相接近，減少壩體應力集中和不均勻沉陷等，需對斷層作加固處理。F4、F5斷層規模小，寬僅0.6～0.7 m，處理方法考慮沿斷層帶做梯形混凝土塞，開挖寬度取斷層影響帶寬度再擴大1 m，混凝土塞的深度取1.0 m，且在斷層影響范圍內加大固結灌漿處理范圍。

(2)固結灌漿。為改善地基的均勻性，增強整體性，提高基礎承載能力，減小基礎壓縮變形等，需對壩基進行固結灌漿，固結灌漿孔距、排距均為4 m，孔深深入基巖6 m。固結灌漿在混凝土蓋板澆筑后進行。

(3)帷幕灌漿。壩基巖體屬中等～弱透水性，局部呈微透水性，左岸相對不透水層埋藏深度較淺，右岸則較深厚，壩基存在滲漏問題，兩岸山坡地下水位均低于正常蓄水位，壩基表層存在中等透水層。為了減少壩基滲漏和繞壩滲漏，需對壩基、壩肩進行帷幕灌漿[1]。

本工程大壩壩高為60.5 m，為中壩，壩高在50～100 m之間，帷幕防滲標準按q=3～5 Lu控制，因壩高接近50 m，故防滲標準按5 Lu進行控制。帷幕底端進入相對隔水層(巖石透水率q<5 Lu)以下5 m為下限控制深度。防滲帷幕深入岸坡一定長度并與河床部位的帷幕保持連續性，左岸延伸到相對隔水層與正常蓄水位相交之處，右岸延伸50 m。防滲帷幕為單排，孔距2.0 m，孔深伸入相對隔水層界限5 m。

(4)排水。為了進一步降低混凝土壩壩底滲透壓力，在帷幕灌漿廊道的下游設置一排排水孔，孔距為3 m，孔徑50 mm，孔深按帷幕深度的50%考慮。排水孔設在基礎灌漿廊道內。

5 設計計算

5.1 壩頂高程的確定

根據《混凝土重力壩設計規范》(SL 319—2018)和《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2017)規定，壩頂高程應不低于校核洪水位。壩頂高程=水庫靜水位+△h，△h由式(1)計算確定，選擇計算所得壩頂高程最大值作為最終選定的壩頂高程[2]。

△h=h1%+hz+hc

(1)

式中：△h為壩頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h1%為波高，m；hz為波浪中心線至正?；蛐：撕樗坏母卟?，m；hc為安全超高，本工程壩的安全級別為3級，正常蓄水位和校核洪水位下分別取0.4 m和0.3 m。計算結果見表1。

表1 混凝土重力壩壩頂高程計算成果

根據以上計算成果，壩頂高程以校核洪水位加壩頂超高為最大值187.49 m，本階段取壩頂高程187.50 m。

5.2 大壩穩定及應力計算

5.2.1 非溢流壩段

非溢流壩為混凝土重力壩，河床壩段坐落在微風化的板巖上，壩高60.5 m，左右岸壩頭部分坐落在弱風化巖體上，壩高26.5 m，本次非溢流壩穩定計算斷面分別選取最大壩高斷面及地質條件較差斷面。

本工程為Ⅲ等工程，大壩為3級建筑物，根據規范SL 319—2018公式進行重力壩應力和穩定計算，取單位寬度的混凝土重力壩段進行計算，揚壓力按重力壩設計規范計算，重力壩基礎進行帷幕灌漿，設有排水，揚壓力折減系數α值取0.25。

計算工況及荷載組合見表2。

表2 計算工況及荷載組合

壩體穩定和壩基應力計算成果見表3，表4。

表3 溢流壩(最大壩高)穩定和地基應力計算成果

表4 溢流壩(地質條件較差)穩定和地基應力計算成果

從計算結果可知，非溢流壩段抗滑穩定安全系數大于規范要求安全系數，故抗滑穩定滿足要求，在各種荷載組合下，壩踵垂直應力未出現拉應力，壩趾垂直應力小于壩基容許壓應力([σ]=1.5或0.8 MPa)壩基應力也滿足要求。

5.2.2 溢流壩段

溢流壩坐落在微風化的板巖上，壩高60.5 m，穩定及應力計算結果見表5。

表5 流壩穩定和地基應力計算成果

從計算結果可知，溢流壩段抗滑穩定安全系數大于規范要求安全系數，故溢流壩段抗滑穩定滿足規范要求，在各種荷載組合下，壩踵垂直應力未出現拉應力，壩趾垂直應力小于壩基容許壓應力([σ]=2.0 MPa)壩基應力也滿足要求。

5.3 水力計算

5.3.1 挑流消能計算

溢流壩采用挑流消能，消能防沖按4級建筑物設計，采用30年一遇洪水標準，下泄流量790 m3/s，并驗算在校核洪水位(下泄流量1400 m3/s)、設計洪水位(下泄流量876 m3/s)的消能情況，計算采用下列公式(2)～公式(4)[3]。

L=

(2)

(3)

h1=h/cosθ

(4)

式中：L為水舌拋距，m；v1為坎頂水面流速，m/s；θ為鼻坎的挑角，取θ=18°；h1為坎頂豎直方向水深，m；h2為坎頂至河床面高差，m；v為坎頂平均流速，m/s；φ為堰面流速系數，取0.96;H0為水庫水位至坎頂的落差，m；h為坎頂平均水深，m。

5.3.2 沖坑水墊厚度計算

最大沖坑處水墊厚度按下式(5)進行計算：

tk=kq0.5H0.25

(5)

式中：tk為最大沖坑水墊厚度，m；k為基巖特性影響系數，取1.10；q為泄水建筑物出口斷面的單寬流量，m3/(s·m)；H為上、下游水位差，m。

溢流壩各種洪水頻率流量及消能特性見表6。

表6 同洪水頻率溢流壩消能特性

從表6看出，沖刷坑不會危及大壩的安全。

6 結 語

文章以碧湖水庫混凝土重力壩設計為例，闡述了混凝土重力壩設計的思路和方法，并對設計過程中的關鍵環節，包括大壩基本剖面設計、壩基基礎處理、大壩穩定及應力復核計算、消能計算等均進行了詳細的分析研究，可為類似重力壩工程設計提供參考。