守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石壩設(shè)計(jì)與研究

王晉瑛

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

0 引言

膠凝砂礫石壩是近年來(lái)出現(xiàn)的新壩型，該壩可就地取材，使用高效率的土石方運(yùn)輸機(jī)械和壓實(shí)機(jī)械快速施工，其與面板壩相比可以縮小壩體斷面；與碾壓混凝土壩相比可以簡(jiǎn)化施工、縮短工期和減少費(fèi)用。同時(shí)，由于膠凝砂礫石壩對(duì)筑壩材料、施工工藝以及壩基要求降低，大壩施工棄料少，凸顯了在適應(yīng)環(huán)境、減輕環(huán)境破壞方面所具有的優(yōu)勢(shì)，得到了國(guó)際壩工界的重視。目前在法國(guó)、希臘和土耳其等國(guó)家已建成了10余座，其中土耳其的兩座壩壩高都超過(guò)100 m。日本壩工界對(duì)膠凝砂礫石壩技術(shù)表現(xiàn)出極大的熱情，自20世紀(jì)90年代開(kāi)始投入大量人力、物力、財(cái)力，研究和開(kāi)發(fā)了具有自身特點(diǎn)的膠凝砂礫石壩技術(shù)，至今已有10余座膠凝砂礫石壩建成。我國(guó)的貴州道塘大壩、福建街面大壩和洪口大壩的圍堰均采用了膠凝砂礫石材料，取得了很好的效果，但在我國(guó)永久工程中尚無(wú)應(yīng)用。

1 工程概況

守口堡水庫(kù)位于山西省大同市陽(yáng)高縣的黑水河上游。壩址以上控制流域面積291 km2，多年平均徑流量1 577萬(wàn)m3，水庫(kù)總庫(kù)容為980萬(wàn)m3。樞紐大壩原設(shè)計(jì)為碾壓混凝土重力壩，壩頂長(zhǎng)366 m，壩頂寬6 m，最大壩高64.6 m。泄水建筑物集中布置于壩體，壩體中部設(shè)有6孔凈寬9 m的溢流表孔，4孔沖沙泄洪底孔對(duì)稱(chēng)布置于溢流表孔兩側(cè)，斷面尺寸為4.0 m×4.8 m。

壩址區(qū)河谷寬約220.0 m，砂礫石覆蓋層厚度為6.5～19.8 m，下伏基巖為含輝石斜長(zhǎng)角閃巖。壩址區(qū)河床砂礫石儲(chǔ)量豐富，為了充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，達(dá)到節(jié)省投資、加快施工進(jìn)度、減少棄料、保護(hù)環(huán)境的目的，樞紐大壩設(shè)計(jì)變更為膠凝砂礫石壩。膠凝砂礫石壩軸線位置同碾壓混凝土壩位置，方向?yàn)镹85.04°E，壩頂長(zhǎng)354 m，壩頂寬6 m，最大壩高61.6 m，泄水建筑物也置于壩體上，其布置同碾壓混凝土重力壩。

2 膠凝砂礫石材料

守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石骨料為壩址區(qū)河床砂礫石料，結(jié)合工程當(dāng)?shù)夭牧锨闆r，并同國(guó)內(nèi)外工程類(lèi)比，守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石壩的膠凝材料選用范圍為80～140 kg/m3。通過(guò)計(jì)算大壩膠凝砂礫石材料需滿足180天6.0 MPa的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，材料配制滿足8.5 MPa強(qiáng)度要求。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)對(duì)膠凝砂礫石性能指標(biāo)的要求和中國(guó)水利水電科學(xué)研究院試驗(yàn)結(jié)果，確定守口堡水庫(kù)大壩膠凝砂礫石設(shè)計(jì)配合比為：膠凝材料水泥（強(qiáng)度等級(jí)42.5）用量50 kg/m3，粉煤灰（Ⅱ級(jí)）用量40 kg/m3。砂礫石料為壩軸線上游1 km范圍內(nèi)剔除150 mm以上粒徑的河床砂礫石，外摻25%開(kāi)挖石料（石料粒徑不大于150 mm），用水量為90～120 kg/m3。

3 膠凝砂礫石壩設(shè)計(jì)

3.1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

（1）大壩泄洪建筑物研究

梯形膠凝砂礫石壩最重要的特點(diǎn)之一是其使用在彈性范圍內(nèi)的膠凝砂礫石強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)作為彈性體。這種設(shè)計(jì)類(lèi)似于混凝土壩，允許壩體內(nèi)布置排水設(shè)施和檢測(cè)廊道，允許溢洪道設(shè)于壩上。在國(guó)外有膠凝砂礫石壩頂布置溢洪道的實(shí)例，如日本已建成的當(dāng)別壩（Tobetsu）是一座壩頂溢流的膠凝砂礫石壩，該壩最大壩高52 m，壩頂長(zhǎng)432 m，寬8 m，壩頂布置了10孔高低不一的溢流表孔，其中6孔堰頂高程比較高，4孔堰頂高程比較低，以滿足不同流量的泄洪要求。由于守口堡水庫(kù)地形條件限制，布置岸邊溢洪道很困難，因此，利用膠凝砂礫石彈性體的特點(diǎn)，研究在壩頂布置溢洪道是必要的。

在研究過(guò)程中，進(jìn)行了膠凝砂礫石的耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于守口堡水庫(kù)壩址區(qū)砂礫料中含泥量高，抗凍性能僅為F50，不能滿足抗凍要求。借鑒國(guó)外已成功經(jīng)驗(yàn)，在膠凝砂礫石表面采用常態(tài)混凝土或變態(tài)混凝土作為外包保護(hù)層，可滿足抗凍要求。同時(shí)，這兩種材料均具有抗沖磨性能，將其作為壩頂溢洪道底板來(lái)抵抗高速水流的沖刷是可行的。為此，在守口堡水庫(kù)大壩的布置中，考慮將溢流表孔布置在大壩中部，共設(shè)6孔，每孔凈寬9 m；溢流表孔兩側(cè)各布置兩孔沖沙泄流底孔，斷面尺寸為4.0 m×4.8 m。溢流表孔及泄洪底孔出口均采用挑流消能。溢流表孔底板及泄洪底孔均設(shè)混凝土保護(hù)層，以提高泄水建筑物的抗沖磨性能和抗凍性能。這樣的布置，在保證工程的安全性的前提下，充分利用了膠凝砂礫石壩彈性體的特點(diǎn)，不僅解決了守口堡水庫(kù)岸邊布置溢洪道困難的問(wèn)題，而且可減少工程永久占地和工程費(fèi)用。

（2）壩體斷面研究

參考國(guó)外已建成的膠凝砂礫石壩，大壩斷面為上下游對(duì)稱(chēng)或基本對(duì)稱(chēng)的梯形，介于重力壩和土石壩之間，坡比在1:0.5～1:0.8之間，壩體防滲多采用面板。為了研究守口堡水庫(kù)壩體斷面方案的合理性，擬定了多個(gè)壩體斷面進(jìn)行比較，壩坡為1:0.5～1:0.7，經(jīng)穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算分析及經(jīng)濟(jì)比較后認(rèn)為，壩體置于弱風(fēng)化及更好的基巖條件下，推薦大壩上下游坡比為1：0.6，并得到專(zhuān)家咨詢論證認(rèn)可。近期剛發(fā)布實(shí)施的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)膠凝砂礫石壩的壩坡選擇也做出了規(guī)定，為此設(shè)計(jì)確定守口堡水庫(kù)大壩上下游坡比均采用1：0.6。

擋水壩最大壩高61.6 m，壩頂寬6 m，頂部豎直段高3.6 m，以下上下游壩面坡比均為1:0.6。壩頂上游側(cè)設(shè)1.2 m高防浪墻，下游側(cè)設(shè)防護(hù)欄桿。設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1。

溢流壩總寬為62 m，堰凈寬54 m，堰頂?shù)陀趬雾?.6 m，為開(kāi)敞式溢流堰，堰面曲線采用冪曲線，方程為：y=0.24x1.78，曲線與坡比為1:0.6的斜直溢流面相切。下游消能方式采用挑流式，反弧半徑R=5 m，挑射角度為25°。壩體兩側(cè)導(dǎo)流墻高3 m，寬1.0 m。溢流表孔為6孔，每孔凈寬9.0 m，中邊墩寬1.0 m，墩頂設(shè)交通橋，寬6.0 m。設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖2。

圖1 擋水壩斷面圖

圖2 溢流壩斷面圖

圖3 底孔壩斷面圖

圖4 壩體分區(qū)圖

底孔壩上下游為1:0.6的坡面。進(jìn)口閘室為封閉式進(jìn)水塔，緊臨上游壩面。沖沙泄洪底孔進(jìn)口底高程距壩頂33.6 m，進(jìn)口設(shè)有事故檢修平板鋼閘門(mén)，孔口尺寸為4.0 m×4.8 m（寬×高），閘后設(shè)有長(zhǎng)35.9 m的壓力洞段，洞身斷面尺寸為4 m×4.8 m（寬×高），洞身后設(shè)有長(zhǎng)4.8 m的壓坡漸變段，坡比為1:6，出口孔口尺寸為4.0 m×4.0 m（寬×高），并設(shè)有弧形工作門(mén)，后設(shè)有長(zhǎng)19 m的擴(kuò)散段，擴(kuò)散角為4.91°，下游接挑流消能工，反弧半徑30 m，挑射角23°。設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖3。

（3）壩體材料分區(qū)

大壩主體為膠凝砂礫石，上下游防滲保護(hù)均采用常態(tài)混凝土。各部位材料要求滿足強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、抗沖耐磨等要求。

壩體材料分為六個(gè)區(qū)，Ⅰ區(qū)為下游水位以上壩體外部表面混凝土，厚度1.0 m；Ⅱ區(qū)為上游防滲層，厚度為1.5 m；Ⅲ區(qū)為下游水位以下壩體外部表面混凝土，厚度1.0 m；Ⅳ區(qū)為墊層堆石混凝土；Ⅴ區(qū)為壩體內(nèi)部膠凝砂礫石；Ⅵ區(qū)為泄洪沖沙底孔周邊混凝土和溢流表孔表層混凝土，厚度為50 cm。各區(qū)材料性能要求見(jiàn)表1。斷面見(jiàn)圖4。

表1 大壩混凝土分區(qū)性能要求表

（4）壩體防滲

根據(jù)國(guó)內(nèi)外膠凝砂礫石試驗(yàn)結(jié)果，膠凝砂礫石筑壩材料的抗?jié)B透溶蝕性能和抗凍融性較差，而守口堡水庫(kù)位于寒冷地區(qū)，大壩防滲體和保護(hù)層的設(shè)置是必要的。

國(guó)外現(xiàn)有的膠凝砂礫石壩均采用常態(tài)混凝土面板防滲，參考碾壓混凝土壩二級(jí)配防滲全斷面碾壓的做法，守口堡膠凝砂礫石壩考慮采用混凝土面板和二級(jí)配碾壓混凝土防滲兩種方式，均按水頭設(shè)計(jì)，常態(tài)混凝土面板防滲參考漿砌石壩設(shè)計(jì)，防滲厚度為水頭的1/30～1/60，考慮抗凍要求（壩址處凍土深度為1.43 m），厚度為1.5 m。二級(jí)配碾壓混凝土防滲參考《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，防滲層厚度為水頭的1/15～1/30，厚度為3.0 m。

常態(tài)混凝土面板和二級(jí)配變態(tài)碾壓混凝土均可作為防滲體，只是常態(tài)混凝土水泥用量大，為防止裂縫需在表面鋪設(shè)溫度鋼筋，防滲層后排水可采用無(wú)砂混凝土管；而二級(jí)配變態(tài)碾壓混凝土水泥用量較小，無(wú)需設(shè)溫度筋，但防滲層后排水需要設(shè)兩層廊道打斜排水孔，施工難度大；對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較，投資相差不大。經(jīng)綜合考慮，確定采用常態(tài)混凝土防滲。

（5）壩體排水及分縫止水

為了降低壩體內(nèi)的揚(yáng)壓力，減小滲水對(duì)壩體的不利影響，在靠近壩體上游面防滲層后布設(shè)排水管，至基礎(chǔ)廊道。排水管采用無(wú)砂混凝土管，管徑150 mm，間距3 m。

膠凝砂礫石壩膠凝材料少，水泥水化熱低，參考國(guó)外已建成壩，壩體膠凝砂礫石不設(shè)橫縫，只在上游混凝土防滲層和下游混凝土保護(hù)層設(shè)伸縮縫，沿壩軸線方向每15 m設(shè)置一道。大壩上游橫縫內(nèi)設(shè)兩道止水，一道銅片、一道橡膠止水；下游水位以下橫縫內(nèi)設(shè)一道橡膠止水。

3.2 壩基處理

（1）大壩建基面的設(shè)置。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）規(guī)定，當(dāng)壩高50～100 m時(shí)，大壩建基面可在微風(fēng)化至弱風(fēng)化中部基巖上。這樣就需要挖除河床覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化及部分弱風(fēng)化巖石，使壩體座落在弱風(fēng)化基巖中部。由于膠凝砂礫石壩壩體斷面大，基底應(yīng)力小，對(duì)壩基要求相對(duì)降低，將大壩建基面適當(dāng)放寬。通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和基礎(chǔ)適應(yīng)性研究，壩體座落在強(qiáng)風(fēng)化底部完全滿足要求，因此將大壩建基面設(shè)置在弱風(fēng)化上部基巖上。

（2）基礎(chǔ)墊層的設(shè)置?；鶐r和膠凝砂礫石壩屬于兩種不同的介質(zhì)，二者之間需要設(shè)置一個(gè)過(guò)渡層來(lái)調(diào)整兩種介質(zhì)的性能差異。根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，在建基面上鋪設(shè)一層混凝土作為墊層，可起到介質(zhì)過(guò)渡作用。同時(shí)，墊層帶來(lái)的好處還有以下幾點(diǎn)：①可以利用墊層找平建基面；②增強(qiáng)膠凝砂礫石壩的整體性；③可作為壩基固結(jié)灌漿和帷幕灌漿平臺(tái)和壓重，方便施工；④將泄洪底孔布置在墊層上部，使底孔鋼筋混凝土和墊層形成整體，可避免膠凝砂礫石壩開(kāi)孔的難度?？紤]墊層厚度過(guò)小，難以起到過(guò)渡作用；墊層厚度過(guò)厚，影響壩身結(jié)構(gòu)，初步確定墊層厚度為1.0 m。

在我國(guó)，自堆石混凝土技術(shù)研發(fā)以來(lái)，在國(guó)內(nèi)多項(xiàng)工程的基坑處理中應(yīng)用。如河南寶泉抽水蓄能電站大壩基坑回填、四川金沙江向家壩水電站填芯工程等，采用堆石混凝土回填基坑，使回填工程的進(jìn)度較素混凝土回填提前了好多。因此，我們?cè)谘芯炕A(chǔ)墊層材料的時(shí)候，充分研究了混凝土和堆石混凝土的特點(diǎn)及應(yīng)用情況，確定墊層采用厚度1.0 m的堆石混凝土。這樣做不僅可加快施工進(jìn)度，而且可節(jié)省工程費(fèi)用。

（3）基礎(chǔ)防滲處理。壩基巖體中等透水帶厚度3～28 m，以下為弱透水巖體，在壩基深度32～40 m以下的巖體透水率小于5 Lu為相對(duì)隔水層；左壩肩巖體中等透水帶厚度20～34 m，弱透水帶上部厚度30～60 m，以下為透水率小于5 Lu為相對(duì)隔水層。右壩肩巖體中等透水帶厚度12～60 m，弱透水帶上部厚度30～43 m，以下為透水率小于5 Lu為相對(duì)隔水層。根據(jù)以上地質(zhì)資料，守口堡水庫(kù)大壩基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)為：

①帷幕灌漿設(shè)單排，深入相對(duì)隔水層3 m，軸線距壩上游壩踵面7.2 m，帷幕深度15～40 m，孔距2 m。帷幕灌漿右岸延伸80 m，向左岸延伸60 m，帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)為5 Lu。

②壩下基礎(chǔ)在上游壩踵15 m范圍及下游壩趾15 m范圍內(nèi)分別進(jìn)行固結(jié)灌漿，深度8～6 m，排距、孔距3 m，梅花形布設(shè)。

③壩基排水孔距帷幕軸線2 m，伸入基巖22 m，孔距2 m。壩體、壩基排水經(jīng)廊道通至集水井，并抽排至下游壩外。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合工程實(shí)際，并同國(guó)內(nèi)外工程進(jìn)行類(lèi)比，對(duì)守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石壩壩體斷面、壩體材料分區(qū)、泄洪建筑物布置等方面進(jìn)行分析研究，得出了守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石壩的合理設(shè)計(jì)方案。

膠凝砂礫石壩是近年來(lái)出現(xiàn)的較為經(jīng)濟(jì)、施工簡(jiǎn)便的一種新型壩，該筑壩技術(shù)可就地取材、快速施工、利于環(huán)境保護(hù)。守口堡水庫(kù)大壩壩體采用膠凝砂礫石材料，是首次在我國(guó)永久性工程中應(yīng)用，因此守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石壩的成功實(shí)施必將對(duì)大壩建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。