鳳岡惠民水庫混凝土砌石重力壩設計分析

張周亮

(江西省水投工程咨詢集團有限公司，江西 南昌 330096)

1 工程概況

鳳岡惠民水庫位于宜黃縣鳳岡鎮，距縣城8.0 km，壩址以上控制流域面積17.7 km2，水庫總庫容563.3萬m3，是一座以灌溉為主，兼顧供水等綜合利用的小(1)型水庫。

宜黃縣位于江西省中部偏東、撫州市南部，是全國煙葉生產重點縣，項目區現無蓄水型水源工程，居民及附近群眾生活用水仍然是通過就近鉆井取水及從河溝提取，水源未經凈化消毒處理，水質存在隱患，嚴重影響人們的正常生活，危害居民的身體健康。新建水源工程后，可有效發揮調豐補枯作用解決區域內的農業及生活用水問題，對促進農民增產增收、實現項目區農業經濟可持續發展具有重要推動作用；是保障人們身體健康、滿足人民群眾不斷增長的物質文化生活的需要，社會效益和環境效益顯著。因此，建設宜黃縣鳳岡惠民水庫水源工程是必要的。

通過對壩型的比選，工程最終選定C15混凝土砌石重力壩方案[1]，樞紐主要建筑物有：擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物等。

2 擋水建筑物設計

2.1 結構布置

非溢流壩布置在左右兩岸，與岸坡相接。左岸壩長 66 m，右岸壩長76.4 m。左岸非溢流壩分3個壩段，具體為1#壩段長22 m(B0+000～B0+022)、2#壩段長22 m(B0+022～B0+044)、3#壩段長22 m(B0+044～B0+066)；右岸非溢流壩分3個壩段，具體為6#壩段長26.4 m(B0+103.6～B0+130)、7#壩段長25 m(B0+130～B0+155)、8#壩段長25 m(B0+155～B0+180)；溢流壩分2個壩段，具體為4#壩段長18 m(B0+066～B0+084)、5#壩段長19.6 m(B0+084～B0+103.6)。

非溢流壩段為混凝土砌石重力壩，壩頂高程為149.20 m，壩頂寬度為4.0 m，壩底寬33.90 m，最大壩高45.2 m。上游壩面折坡點在高程130.00 m，以上為鉛直面，以下坡比為1∶0.15；下游壩面折坡點高程146.00 m，以上為鉛直面，以下坡比為1∶0.75。壩頂兩側設置1.1 m 高欄桿，壩頂C25混凝土路面厚0.2 m。壩體底部設0.5～2.0 m厚C15混凝土墊層。壩上游面設C25混凝土防滲面板，抗滲標號W6，面板厚0.5～1.2 m，面板沿壩軸線方向與壩體分縫一致，縫寬15 mm，用瀝青杉板填充，1.5 mm厚紫銅片止水，表面配置Φ12 mm溫度鋼筋，縱橫間距0.20 m。

大壩靠上游側底設置灌漿排水廊道，廊道高程在112.00～135.20 m之間，廊道尺寸為2.5 m×3.5 m城門洞形，為混凝土襯砌結構。

2.2 非溢流壩穩定及應力計算

(1)穩定計算。設計洪水標準為50年一遇，相應設計洪水位為147.70 m，相應下游水位為111.97 m；校核洪水標準為500年一遇，相應校核洪水位為148.20 m，相應下游水位為112.45 m，大壩穩定分析以上述洪水標準進行穩定計算。計算結果見表1。

表1 非溢流壩段(3#、6#)抗滑穩定安全系數計算成果

從抗滑穩定安全系數計算成果表可看出，重力壩各計算截面在各種組合工況下，其抗滑穩定安全系數均能滿足規范要求[2]。

(2)壩基應力計算。大壩應力計算按《砌石壩設計規范》(SL 25—2006)規定，采用材料力學方法進行，大壩屬中壩范圍，按規范要求，可只計算壩基截面上游點A和下游B的應力。 計算結果見表2。

表2 非溢流壩段(3#、6#)壩基截面A、B兩點應力計算結果 kPa

按規范SL 25—2006壩體垂直正應力要求：計入揚壓力和不計揚壓力兩種情況時，壩基面正應力均小于砌體容許壓應力；計入揚壓力情況時，壩基面最小垂直正應力為壓應力。設計大壩混凝土砌石體標號>40 MPa，依據規范SL 25—2006得，砌石體容許壓應力為5.5 MPa。

從計算結果可以看出，各截面的垂直正應力均為壓應力，且壓應力值遠遠小于砌體允許壓應力及地基允許應力，滿足規范要求。

2.3 其余非溢流壩段穩定及應力計算

(1)抗滑穩定安全系數計算。成果見表3。從抗滑穩定安全系數計算成果表可看出，各溢流壩段在各種組合工況下，其抗滑穩定安全系數均能滿足規范要求。

(2)各截面上、下游邊緣應力(即A、B兩點應力)計算。結果見表4。

表3 其余非溢流壩段抗滑穩定安全系數計算成果

表4 其余非溢流壩段壩基截面A、B兩點應力計算結果 kPa

從計算結果可以看出，各截面的垂直正應力均為壓應力，且壓應力值遠遠小于砌體允許壓應力及地基允許應力，滿足規范要求。

3 泄水建筑物設計

3.1 結構布置

泄水建筑物采用壩頂表孔開敞式泄流方式，溢流壩段布置在大壩河床段，溢流段凈寬36 m，堰頂高程146.00 m。溢流面由頂部曲線段、中間直線段、下部反弧段組成，頂部曲線段與直線段、直線段與反弧段均相切[3]。頂部曲線為WES曲線，堰頂上游為1/4橢圓，橢圓方程為(X/0.58)2+[(0.33-Y)/0.33]2=1。堰頂下游段為WES曲線，堰頂最大水頭2.2 m，設計定型水頭采用2.0 m，WES曲線方程為：y=0.2774x1.85。

溢流壩出口采用挑流消能方式，鼻坎寬36 m，鼻坎頂高程114.48 m，挑角20°，反弧半徑8.0 m，堰頂至鼻坎頂高差31.52 m[4]。

堰面為80 cm厚C30混凝土，混凝土表面配溫度構造筋。堰頂下游設交通橋，為現澆板梁式結構，總長36.6 m，分三跨，每跨長度12.2 m，橋面寬4.0 m，板厚0.2 m，底下設三根主梁，斷面為0.35 m×1.0 m，間隔5.65 m設次梁，斷面為0.3 m×0.8 m。交通橋坐落于橋墩上，橋墩支撐于堰面上，厚度0.8 m，順水流方向長1.8 m。

3.2 穩定及應力計算

(1)穩定計算。考慮到4#壩段與5#壩段對稱，本次選取4#壩段作為典型斷面進行穩定計算。計算結果見表5。

從抗滑穩定安全系數計算成果表可看出，重力壩各計算截面在各種組合工況下，其抗滑穩定安全系數均能滿足規范要求。

表5 溢流壩段抗滑穩定安全系數計算成果

(2)壩基應力復核。 各截面上、下游邊緣應力，即A、B兩點應計算結果見表6。

從計算結果可以看出，各截面的垂直正應力均為壓應力，且壓應力值遠遠小于砌體允許壓應力及地基允許應力，滿足規范要求。

4 引水建筑物設計

引水建筑物主要為灌溉兼供水管、放空管等。

4.1 灌溉兼供水管結構布置

(1)結構布置。為滿足下游現有農田、煙田等共0.05萬hm2灌溉需求，同時兼顧水庫下游共1.2萬農村居民的供水需求，在大壩左側非溢流壩壩內布設供水管道，管中心線均垂直壩軸線(樁號B0+055.5)，管道進口底板高程均為116.00 m，壩內管長為30.6 m，管徑為φ90 cm，管身采用12 mm 厚Q235鋼板，管外為60 cm厚C25鋼筋混凝土結構。

表6 溢流壩段壩基截面A、B兩點應力計算結果 kPa

為保證供水的水質及灌溉取水對水溫的要求，擬取近表層水，因此供水管進口采用塔式分層取水的布置方式。在進水塔的116.00 m、126.00 m及136.0 m高程處各布置一個1.0 m×1.0 m(長×寬)的進水口，根據水庫水位變化進行分層取近表層水。在每個分層取水孔口各設一道取水工作閘門，取水口為圓形喇叭口，半徑50 cm。進水塔尺寸為6.0 m×9.1 m(長×寬)，閘門檢修平臺高程為149.20 m，啟閉平臺高程153.20 m，設啟閉房以便管理運行。

為保證現有農田灌溉供水及補充下游生態基流，需另外布設專用管路。經測算，灌溉需水量為0.594 m3/s，供水需水量為0.023 m3/s，生態基流量為0.0578 m3/s。取管內流速約2 m/s，則選擇內徑900 mm，壁厚12 mm的鋼管承擔補充基流及引水灌溉的任務。設計在供水引水管閘閥室后鋼管上接引供水鋼管及灌溉引水管，設閘閥控制放水。

(2)水力計算。經計算，當庫水位降到死水位118.00 m時，鋼管最大過流為1.792 m3/s，大于灌溉、供水及生態基流的總和0.6748 m3/s，故內徑900 mm的鋼管可以滿足下游引水要求[5]。

4.2 放空管結構布置

放空管布置在大壩左側非溢流壩段(樁號B0+062.4)，主要起放空庫水位，兼顧補充下游生態基流作用，同時施工期間可用于導流。進口底板高程按112.00 m，孔中心垂直壩軸線布置。孔內徑為φ120 cm，孔身采用12 mm厚Q235鋼板內襯，管外為60 cm厚C25鋼筋混凝土結構，進口為圓形喇叭口，半徑50 cm。進口設事故檢修閘門一扇，出口采用閘閥控制，閘門檢修平臺高程為149.20 m，啟閉平臺高程153.20 m，設啟閉房以便管理運行。

5 結 語

混凝土砌石重力壩具有投資低、施工工藝簡單、施工質量易控制、施工進度快等優勢，且工程區附近石料儲藏豐富，開采方便，石料質量較好，適宜建造各種砌石壩，混凝土砌石重力壩使壩體的均勻性、密實度和防滲性能以及允許應力指標等均較漿砌石大為提高，故鳳岡惠民水庫水源工程采用混凝土砌石重力壩壩型。

為確保大壩施工期及運行期的安全，文章對大壩擋水建筑物、泄水建筑物以及引水建筑物等結構均進行了詳細的復核計算，計算結果均滿足規范要求，為工程的安全施工及后期安全運行奠定了扎實的基礎，值得借鑒與參考。