頂云哨水庫壩型適應性比選

楊廣省

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550000）

建立科學有效的水庫壩型評價指標體系,對水庫建設具有重要的指導意義[1]。水庫工程因建設條件復雜,設計周期嚴格,壩型選擇復雜且容錯率低,受區域地質、原材料和投資等因素影響呈現出綜合性、復雜性特點。國內學者常常采用主觀經驗進行壩型設計優選,但分析過程具有隨機性和模糊性特點[2-3]。本文以頂云哨水庫壩體為研究對象,開展壩型比選研究,建立適宜的評價體系,為水庫設計決策的科學化和標準化提供指導。

1 工程概況

頂云哨水庫工程位于貴州省安順市關嶺縣，所在的河流為養馬溝。壩址控制流域面積為1.17 km2，主河道河長1.69 km,河床平均比降75‰。頂云哨水庫工程主要任務是村鎮供水,供水范圍為永寧集鎮及養馬村。水庫設計供水量為35.8 萬m3/a，其中向永寧鎮供水32.9 萬m3/a，養馬村供水2.88 萬m3/a。頂云哨水庫總庫容36.6 萬m3,水庫樞紐工程等別為Ⅴ等,工程規模為小（2）型；水庫總供水量為35.8 萬m3/a,供水工程等別為Ⅴ等,工程規模為小（2）型。提水泵站設計流量為17.1 L/s,功率為2×30 kW,泵站工程等別為Ⅴ等,工程規模屬小（2）型。

2 壩型擬定比選

2.1 壩址區地質結構特點

（1）地形地貌

河流流向總體為S18°E,長約0.45 km,河床較平緩,河道呈“S”型彎曲,無跌坎深潭發育,河床高程1474 m~1460 m,河床天然坡降為3.1%,此河段集雨面積為1.17 km2。河谷呈基本對稱的“V”型谷,左岸地形坡度10°~40°；右岸地形坡度20°~60°,岸坡地形總體順直,自然邊坡總體穩定。兩岸坡頂高程1540 m 左右。河床寬約30 m,河流比降約3.1%。正常蓄水位1474.0 m 高程時對應谷寬約110 m,河谷寬高比為7.86。壩區整體為溶蝕型為主,侵蝕型為輔中山溝谷地貌。

（2）地層巖性

左、右岸1480 m 高程以下及河床出露三疊系下統夜郎組第二段第一層（T1y2-1）淺灰色中厚層泥質灰巖與泥巖互層地層,泥灰巖約60%,泥巖約40%,右岸1480 m 高程以上為三疊系下統永寧組第三段（T1yn3）以淺灰、灰色中至厚層泥晶灰巖為主,時夾泥質灰巖、白云質灰巖及白云巖。右岸基巖受F1、f1 斷層影響,岸坡產狀變化較大,斷層影響帶外總體地層產狀N19°~30°E/NW ∠30°~50°；左岸總體地層產狀N50°~60°W/NE ∠25°~35°。

右岸陡崖腳分布松散覆蓋層,厚0~5 m,分布高程1490 m~1513 m,主要成分為崩塌堆積塊石、碎石土；左岸覆蓋層厚0~6.4 m,主要成分為殘坡積砂質粘土、亞粘土夾碎石；河床覆蓋層厚5.0 m~7.8 m,主要成分為腐殖土夾砂礫石土。

2.2 剛性壩壩型適應性分析

剛性壩中比較常見的為重力壩與拱壩。從地形條件來說,河床寬30.0 m,高程1460.0 m,設計正常蓄水位高程1474.00 m時,谷口寬110 m,寬高比7.86,河谷較寬,不宜修建拱壩；從地質條件來說,左、右岸1480m 高程以下及河床出露三疊系下統夜郎組第二段第一層（T1y2-1）淺灰色中厚層泥質灰巖與泥巖互層地層,泥灰巖約60%,泥巖約40%,右岸1480 m 高程以上為三疊系下統永寧組第三段（T1yn3）以淺灰、灰色中至厚層泥晶灰巖為主,時夾泥質灰巖、白云質灰巖及白云巖,不利拱壩的壩基（肩）抗滑穩定,不適合修建拱壩。因此,建議采用重力壩作為剛性壩代表壩型進行比選設計。常態混凝土單價395 元/m3,細石混凝土砌毛石365 元/m3,碾壓混凝土325 元/m3,高填充自密實混凝土砌石332 元/m3,從工程單價的角度分析,高填充自密實混凝土砌石較經濟,且目前人工單價較低,機械化施工從進度與投資上都較優,施工工期比較緊湊,混凝土壩采用的料場均位于壩址上游北東面直線距離約500 m 處山體,基巖為灰巖,在滿足工程質量及安全的前提下,考慮選擇高填充自密實凝土砌石重力壩來作為剛性壩的代表壩型進行工程布置,并進行壩型比選工作。

2.3 柔性壩壩型適應性分析

本工程附近約10 km 范圍內沒有足量且適宜建壩的土料,加之工程區屬中亞熱帶季風濕潤氣候,空氣潮濕,土料天然含水率較高,而土壩對土料含水率控制是質量的關鍵環節,當地日照量較少,采取翻曬降低含水率的時間較少,施工質量控制難度較大,因此,本工程不考慮土壩、粘土心墻壩壩型；瀝青混凝土心墻壩在整個貴州省內實施的相對比較少,該壩型施工的工藝復雜,瀝青混凝土的施工需要專門的施工設備,并要求施工單位有較成熟的技術要求,本工程規模較小,引進高水平的施工單位,有一定的難度,故亦不考慮；混凝土面板堆石壩施工的工藝較成熟,一般施工單位均可承接,故以面板堆石壩作為柔性壩的代表壩型進行技術經濟比較。

2.4 壩型比選

2.4.1 水文條件比較

本工程混凝土面板堆石壩與高填充自密實混凝土砌石重力壩兩種壩型的壩軸線相同,根據水文興利調節計算,重力壩與混凝土面板堆石壩的壩址控制集水面積、正常蓄水位、死水位、興利庫容、死庫容均相同,僅由于防洪標準不一樣而導致校核洪水位、設計洪水位、總庫容不同,而兩方案水量利用系數均為42.1%,以水文條件來看,兩方案條件相當。

2.4.2 樞紐布置條件

混凝土砌石重力壩方案可充分利用主河道布置泄水建筑物,樞紐布置緊湊、順暢,后期管理方便。而混凝土面板堆石壩方案,不能利用主河道布置泄洪,泄洪建筑物布置在左岸,采用岸邊式溢洪道布置,溢洪道結合趾板開挖形成高邊坡,開挖支護處理工程量大。并且大壩、溢洪道、放空隧洞均布置分散,后期管理不便。

面板堆石壩方案上、下游壩坡為1∶1.4,重力壩方案下游壩坡為1∶0.75,重力壩順水流方向比面板壩方案短,因此,重力壩方案壩體填筑工程也量小。因此,從樞紐布置來看,重力壩方案具有明顯優勢。

2.4.3 工程導流及度汛條件

根據壩址地形地質條件及樞紐布置特點,面板堆石壩方案導流方式采用右岸導流兼放空隧洞方案,導流隧洞斷面考慮施工度汛要求,后期采用永臨結合方式,導流洞后期改造可用于水庫取水兼放空。本工程枯期流量較小,重力壩方案采用鋼管導流,施工方便,投資較少。故從工程導流及度汛條件上看,混凝土砌石重力壩方案略優。

2.4.4 施工技術與條件

壩基開挖方面,由于壩址相同,都處于河谷底部,兩岸坡度平緩,開挖難度均不大。從壩基基坑大小而言,重力壩開挖較深,面板壩開挖較淺,但覆蓋層較厚,面板壩石方出渣量相對較小,但土方開挖出渣量較大。

施工工藝方面,重力壩采用高填充自密實混凝土筑壩技術,是目前較先進的筑壩工藝,施工速度較快。面板壩采用機械平倉碾壓堆石,也具有快速筑壩的特點,但其堆石量較大。

根據施工安排,面板堆石壩方案工期為16 個月,重力壩方案工期為14 個月。由此看出,面板壩施工期較長,度汛要求較高,制約水庫建成工期。故混凝土砌石重力壩方案具有較明顯優勢。

2.4.5 工程占地、水庫環境影響及水土保持條件

重力壩樞紐區的工程占地為6.14 畝,面板壩樞紐區的工程占地為18.63 畝；面板堆石壩方案的樞紐建筑土石方開挖量較大,施工面分散,增加了地表擾動面積和水土流失量,雖然面板堆石壩方案的填筑料可以充分利用開挖渣料,但棄渣量仍然較大；兩方案庫區淹沒基本一致,主要區別在于樞紐占地,由于面板壩較重力壩壩坡緩,其樞紐占地大于混凝土砌石重力壩方案。因此在工程占地、水庫、環境影響及水土保持條件下混凝土砌石重力壩方案較優。

2.4.6 投資比較

兩方案的投資見表1,由表1 可知,混凝土面板壩方案投資較高,高填充自密實混凝土砌石重力壩方案較優。

表1 壩型投資比較表

2.4.7 比選結果

通過上述綜合比較,雖然兩種壩型適應性均可,但高填充自密實混凝土砌石重力壩方案就樞紐布置、后期管理、工程施工、環評水保影響、工程投資等各方面均占有優勢,因此,推薦高填充自密實混凝土砌石重力壩作為本階段推薦壩型。

3 大壩應力分析及抗滑穩定計算

3.1 壩體應力計算

壩體應力計算采用材料力學法計算,根據《混凝土重力壩設計規范》（SL 319-2018）的規定,在各種荷載組合下,壩基面垂直正應力小于混凝土容許壓應力和地基的容許承載力；壩基面最小垂直正應力為壓應力,壩體最大主應力應小于混凝土容許壓應力。計算公式如下：

壩體壩基應力計算成果見表2。

表2 壩體壩基應力計算成果

高填充自密實混凝土砌石的極限抗壓強度為11.6 MPa,混凝土抗壓安全系數,基本組合為4.0,特殊組合為3.5,則混凝土容許壓應力基本組合為2.90 MPa,特殊組合為3.31 MPa；地基容許承載力1.6 MPa~2.0 MPa。由上表計算成果可知,在正常和校核工況下,應力計算成果和地基承載力均滿足規范要求。

3.2 壩體抗滑穩定計算

大壩右岸有F1 斷層通過,巖性破碎,水位較低,斷層影響帶3 m~10 m,斷層下盤為（T1y2-1）泥灰巖與泥頁巖互層地層,軟弱層泥頁巖厚5.0 m~6.6 m,大壩以泥頁巖軟弱層面為滑移面或以順河向巖層視傾角層面為滑移面,以F1 斷層為臨空面和側裂面,形成壩體向下游河床滑動,采用抗剪斷強度公式計算,見下式,計算結果見表3。

表3 壩基深層抗滑穩定計算

從計算成果可知,在正常和校核工況下,基本組合情況K'>3.0,特殊組合情況K'>2.5,故壩體深層抗滑穩定滿足規范要求。

4 結論

為確保頂云哨水庫樞紐具有可靠的技術可行性和經濟型,建立綜合優選體系對建壩地質、壩型、結構計算進行了詳細分析論證,優選出地形地質適應性好,設計方案合理的壩型,為工程建設提供了重要技術保障。頂云哨水庫壩體比選過程得出如下結論：

（1）從地形、地質及壩高上看壩址處建剛性壩或柔性壩均適宜,故選擇重力壩、面板堆石壩兩種壩型進行比較。根據壩址地形地質條件,結合水工設計,推薦方案總體布置為高填充自密實混凝土砌石重力壩。

（2）壩體結構應力和抗滑穩定性計算表明,要求工況下壩體最大應力和地基承載力均滿足設計要求。抗滑穩定安全系數均大于規范指標,壩體安全可靠。