關于紅巖水庫粘土心墻石碴攔河壩設計探討

陳華俊

（云南省保山市萬潤水利電力勘測設計有限公司，云南 保山 678000）

1 工程概況

保山市隆陽區(qū)紅巖水庫工程等別為Ⅲ等，主要建筑物大壩、溢洪道、輸水隧洞為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物，臨時建筑物為5級，工程按Ⅷ度設防。

大壩軸線為直線布置，壩頂高1459.00m，防浪墻頂高1460.00m，心墻頂高1458.06m，最大壩高61.00m，壩頂寬8.00m，壩頂長176.1m。壩址海拔高程為1398m，控制徑流面積約62.6 km2，水庫庫區(qū)特征水位、庫容及下泄流量等主要參數(shù)詳見表1［1］。

表1 庫區(qū)主要水位、庫容及下泄流量表

壩基巖體為灰質(zhì)白云巖和白云巖，層狀結構，多呈弱風化狀，勘探孔巖心采取情況表明，巖體相對完整，壩基承載力滿足設計要求?；鶐r上覆第四系松散層，堆積疏松，具中～高壓縮性，厚度不均勻，存在壓縮變形及不均勻沉陷。據(jù)試驗及工程地質(zhì)類比法，壩基巖體主要參數(shù)指標為：濕抗壓強度為54mP a，密度 γ＝2.5 g／cm3，抗剪強度 φ＝38°～41.5°，C＝75～140 k P a，地基承載力f a k＝1.5～2.5mP a。壩址兩岸自然邊坡穩(wěn)定性可靠，產(chǎn)生整體滑動導致大壩失穩(wěn)的可能性不存在。

2 設計要點分析

該攔河壩是建造在灰質(zhì)白云巖和白云巖等層狀結構上的堆石壩，在設計過程中，要根據(jù)壩體及心墻填筑料適應壩基不均勻沉降的能力，進行堆石壩心墻類型比較選擇；又要考慮水庫水位變化頻繁、驟降速度快等特點，充分做好壩體排水、粘土心墻及壩基反濾工作；此外，壩基防滲處理是設計中至關重要的環(huán)節(jié)，與大壩兩岸邊坡的接頭處理也是該工程大壩系統(tǒng)設計的關鍵問題，現(xiàn)就該粘土心墻堆石壩工程設計過程的要點進行相應的探討。

3 壩體結構及心墻類型的確定

大壩壩基多為弱風化狀的灰質(zhì)白云巖和白云巖，層狀結構，且周邊天然石料資源豐富，相比于混凝土重力壩，采用堆石壩的工程造價會顯著降低。心墻堆石壩對基礎要求相對較低，堆石沉降對心墻影響也相對較小，所以心墻堆石壩比較適合紅巖水庫大壩的實際情況。心墻堆石壩方案根據(jù)防滲心墻材料的不同，可考慮粘土心墻與鋼筋混凝土心墻堆石壩兩種結構類型，現(xiàn)將其優(yōu)缺點比較列表如下，見表2。

表2 兩種心墻類型方案優(yōu)缺點比較

從上表可知，從施工工藝，結構可靠性及工程投資等方面綜合比較來看，采用粘土心墻堆石壩方案作為紅巖水庫大壩的結構設計方案。

4 攔河壩設計

4.1 結構設計

壩體結構分為心墻防滲土料區(qū)，布置于壩軸線位置，采用大壩上游的粘土防滲料填筑；上、下游壩殼石渣料區(qū)，采用壩址右岸紅巖頭料場的灰質(zhì)白云巖風化石碴料填筑。

（1）壩頂上游側設防浪墻，墻頂高出壩頂1.0m，為混凝土“L”型防浪墻，墻厚0.3m，墻體設置沉陷縫，間距12m，縫寬3 cm，內(nèi)填瀝青砂漿；下游路肩設C 15混凝土預制塊路肩石。

（2）心墻防滲體上、下游坡比均為1︰0.25，頂寬3.0m，頂部高程1458.06m，心墻防滲體底最大開挖高程1398.00m，軸線底設有寬6.0m，厚0.8m 的C 15混凝土灌漿蓋板。心墻基巖開挖面采用0.3m厚C 15混凝土襯砌。心墻防滲體上游側與壩殼料之間設有兩層水平寬度均為1.5m的反濾層，下游側與壩殼料間設有兩層水平寬度均為2.0m的反濾層。反濾層與底部水平褥墊相接，水平褥墊底部高程為1398.50m，頂部高程為1404.00m，厚5.5m，其中：上、下各兩層為碎石及砂過渡層，厚度均為0.5m，中間一層為3.5m厚的中、小粒徑塊石填筑。壩腳采用堆石棱體排水，棱體頂部高程1404.00m，寬2.0m。棱體底部嵌入基巖，高程1399.0m，棱體后設集水溝和排水溝匯流排水。

（3）大壩上游設三級變坡，從上而下分別為1︰2、1︰2.2、1︰2.4。坡高分為15m、14m 和16.52m，變坡處設2.0m寬戧臺，壩下游設四級變坡（含棱體），從上至下分別為1︰1.8、1︰2.0、1︰2.2和1︰1.5（棱體），坡高分別為15m、14m、26m 和6.5m（棱體）。變坡處設2.0m寬馬道。

（4）上游護坡采用厚0.12m的C 15混凝土預制塊護砌，護坡范圍從壩頂至度汛壩體頂部1430.00m；下游壩坡整體采用固土網(wǎng)格植草護坡。在下游每個馬道平臺內(nèi)側設0.3m×0.4m的砌石排水溝。上、下游壩面均設有2.5m寬的砌石上壩階梯。

壩頂路面為C 15現(xiàn)澆混凝土路面，下墊30 cm厚干砌塊石墊層，并按i＝2%傾向下游。

（5）壩體觀測設施。滲透觀測：平行于壩軸線設4排14孔測壓管，孔深合計422.1m。

沉陷水平位移觀測：平行于壩軸線分別沿戧臺，壩頂布置29個位移標點，岸坡設14工作基點，14個校核基點。

滲流流量觀測：將壩體滲水匯至壩腳集水溝，設三角堰觀測。

4.2 基礎及邊坡處理

（1）壩基防滲處理：壩基防滲與水庫整體防滲統(tǒng)一沿壩軸采用灌漿帷幕防滲，壩基段灌漿帷幕長166m，兩岸坡及河槽均為接地式帷幕灌漿，灌漿深度至相對隔水層灌漿孔沿壩軸線布置，灌漿采用混凝土蓋重板，要求先灌漿再填筑，蓋重板采用C 15混凝土，寬6m，厚0.8m，灌漿材料采用純水泥漿。

（2）壩體與壩基、岸坡的連接：心墻河床部位開挖至高程1398.00m，心墻、反濾層基礎置于強風化巖體內(nèi)1～2m，清基深度3～10m。岸坡段心墻清基自下而上，由深至淺，置于強風化頂界巖體內(nèi)，心墻部位左岸開挖邊坡平均坡比1︰1.57；右岸開挖邊坡平均坡比1︰0.95。開挖后對心墻部位的開挖邊坡進行現(xiàn)澆C 15混凝土襯砌，厚30 cm。固結灌漿孔設置于心墻底部混凝土板上，帷幕灌漿線的上、下游，固結灌漿孔孔距3.5m，排距3.5m，孔深5m，梅花形布置。灌漿壓力2～5 k g，以不抬動混凝土板為原則。

上、下游壩殼石渣料區(qū)清基開挖，開挖深度0.8～1.5m，主要清除表層植被、殘坡積和突出或松動危巖。與壩體連接的岸坡削成斜面，對于巖石岸坡，削坡不陡于1︰0.75，土質(zhì)岸坡不陡于1︰1.5。

5 攔河壩設計參數(shù)復核計算

5.1 壩料設計

（1）心墻防滲粘土料：根據(jù)在料場取原狀樣、擾動樣進行土工試驗的結果，土料屬紅粘土，其物理力學指標滿足防滲體土料質(zhì)量指標要求。心墻防滲粘土料的設計值取值詳見表3。

表3 心墻防滲粘土料的設計值

（2）壩殼石渣料：根據(jù)對各類擾動樣進行物理力學試驗的結果，壩殼石渣料的設計取用值詳見表4。

表4 壩殼料設計取值

5.2 設計計算

（1）壩坡穩(wěn)定分析計算：采用簡化畢肖普法進行分析，中國水利水電科學研究院（S TA B 95）土石壩壩坡穩(wěn)定分析程序進行計算，壩坡穩(wěn)定分析采用的物理力學指標見表5；上游壩坡考慮了2種基本組合，3種特殊組合，下游壩坡考慮了2種基本組合，3種特殊組合，不同荷載組合下的壩坡穩(wěn)定計算成果見表6。

表5 壩坡穩(wěn)定分析（壩料）物理力學指標

表6 大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果表

分析成果表明，各種荷栽組合下壩體結構滿足穩(wěn)定要求。

（2）沉降計算：壩體沉降量采用分層總和法計算，對心墻和壩殼分別進行計算。

心墻沉降量：按公式（1）計算，采用壓縮曲線分層進行，施工期沉降量按最終沉降量的80%考慮［2］，分六層計算，壩體最大斷面的沉降量估算見表7。

表7 壩體最大斷面的沉降量估算結果

壩殼沉降量：壩殼沉降量量采用e－t o g p曲線進行計算，施工末期沉降量按最終沉降量的80%考慮，計算分5層，壩殼最大斷面沉降量估算見表8。

表8 壩殼最大斷面沉降量估算結果

通過分別對心墻，壩殼沉降量的估算結果表明，大壩竣工后心墻與壩殼最高處對應的沉降量為21 cm，心墻與壩殼的沉降差僅為16 cm，且心墻與壩殼間尚有2～4m厚反濾料過渡，紅巖水庫大壩不會因不均勻沉降而導致破壞。

6 結 語

通過對保山市隆陽區(qū)紅巖水庫工程粘土心墻石碴攔河壩的設計與實施建設，對促進當?shù)赝晟扑O施和發(fā)展經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展意義重大。根據(jù)相關的評價結論，工程建設不在環(huán)境敏感區(qū)，建設過程中不存在制約性環(huán)境因素，根據(jù)相應要求采取對策措施后，項目建設的設計合理性、環(huán)境友好性、實用經(jīng)濟性獲得了統(tǒng)一。

［1］紅巖水庫工程初步設計報告［R］.2007，5

［2］碾壓式土石壩設計規(guī)范SL274－2001［S］

［3］水利水電建筑工程驗收規(guī)程SL223－1999［S］