貴州省松桃苗族自治縣妙隘水庫工程面板堆石壩設(shè)計

李婭，郭西方

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津300222）

貴州省松桃苗族自治縣妙隘水庫工程面板堆石壩設(shè)計

李婭，郭西方

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津300222）

混凝土面板堆石壩由于其良好的適應(yīng)性、經(jīng)濟性和安全性，在我國水庫工程中得到了較好運用。在貴州省松桃苗族自治縣妙隘水庫建設(shè)過程中，通過相關(guān)計算及方案比較合理確定了混凝土面板堆石壩壩體結(jié)構(gòu)和分區(qū)。大壩于2015年10月中旬開始填筑，2016年底基本完工。

妙隘水庫；面板堆石壩；趾板；止水；分縫

1 工程概況

妙隘水庫工程位于貴州省東北角松桃苗族自治縣妙隘鄉(xiāng)平皋村，主要功能為農(nóng)田灌溉、集鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜供水。水庫壩址以上控制流域面積18.7 km2，主河道長7.05 km，多年平均年徑流量1 634萬m3，多年平均年入庫泥沙量0.62萬t。水庫輸水設(shè)計流量0.45 m3/s，灌溉面積286.67 km2，供水人口17 506人。

妙隘水庫主要建筑物由鋼筋混凝土面板堆石壩、開敞式溢洪道、取水兼放空建筑物等組成。水庫為年調(diào)節(jié)水庫，正常蓄水位451.0 m，相應(yīng)庫容為182萬m3；校核洪水位453.79 m，相應(yīng)庫容為242萬m3；死水位438.0 m，相應(yīng)庫容為28萬m3，原始調(diào)節(jié)庫容為154萬m3。

妙隘水庫為IV等小（1）型工程，主要建筑物級別為4級，設(shè)計洪水標準30 a一遇，校核洪水標準300 a一遇。施工總工期28個月，總投資1.56億元。

2 樞紐布置

2.1 壩址地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)河谷呈V形，河床地面高程427～428.6 m，主河槽寬20～30 m。兩岸山體渾厚，植被茂密。其中，左岸地形較陡，總體坡度53°；右岸地形較緩，總體坡度21°。河床覆蓋第四系全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石（Q42al+pl），厚度4.7～9.2 m；兩岸覆蓋有第四系全新統(tǒng)坡殘積碎石土（Q4dl+el），厚度0.5～3.5 m。

基巖地層為志留系中統(tǒng)石牛欄群一段（S2sh1），巖性為砂質(zhì)頁巖、泥巖，局部夾少量粉砂巖。巖層產(chǎn)狀為NE45°～68°/SE∠25°～37°。壩基斷層不發(fā)育，兩岸邊坡強風(fēng)化巖體下限深度2.5～12.0 m，弱風(fēng)化巖體下限深度6.4～27.2 m；河床部位強風(fēng)化巖體下限深度為7.0～7.3 m，弱風(fēng)化巖體下限深度為11.2～17.9 m。壩址區(qū)地震基本烈度為6度。

2.2 樞紐平面布置

樞紐攔河壩采用混凝土面板堆石壩，緊靠右壩肩設(shè)開敞式溢洪道，為管理方便采用無閘門控制的開敞式?？紤]進水條件及左右岸地形將取水兼放空建筑物布置于右岸，利用導(dǎo)流洞改造而成，取水口采用龍?zhí)ь^型式，包括進水渠（原導(dǎo)流洞頂）及事故檢修閘，導(dǎo)流洞內(nèi)敷設(shè)明鋼管，出口設(shè)多功能調(diào)節(jié)閥室。

3 混凝土面板堆石壩設(shè)計

3.1 壩體剖面設(shè)計

大壩基本斷面為壩頂高程454.50 m、寬6 m、總長145 m，最低建基面高程419.5 m，最大壩高35.0 m，大壩上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.75，最大斷面寬度113.98 m。壩頂上游側(cè)設(shè)鋼筋混凝土倒T形防浪墻，墻高2.7 m，下游設(shè)防撞墩。下游壩坡設(shè)寬度為6 m、縱坡為8%的上壩公路作為場內(nèi)永久交通道路。壩基土石方開挖10.2萬m3，壩體填筑16萬m3。

3.2 壩體分區(qū)及填筑設(shè)計

3.2.1 壩體分區(qū)設(shè)計

壩體分區(qū)設(shè)計遵循既滿足受力、滲流反濾要求又滿足簡單經(jīng)濟的原則，從上游到下游依次為上游蓋重區(qū)1B（頂部水平寬度4.0 m、高程433.0 m，坡比1∶4.0）、墊層區(qū)2A（水平寬度3.0 m）、特殊墊層區(qū)2B、過渡區(qū)3A（水平寬度3.0 m）、主堆石區(qū)3B（上游坡比1∶1.4，下游坡比1∶0.5）、次堆石區(qū)3C（上游坡比1∶0.5，下游至下游壩坡）和排水區(qū)3D（頂高程不低于下游最高水位）、下游塊石護坡P（厚0.5 m），如圖1所示。

圖1 壩體剖面

3.2.2 壩體填筑設(shè)計

本工程主堆石料選用位于妙隘河右岸距壩址區(qū)約12 km的夾口灘料場灰?guī)r料。由巖石試驗成果可知，料場巖塊天然密度平均值為2.71 g/cm3，飽和吸水率平均值為0.21%，飽和抗壓強度平均值為49.5 MPa，屬中硬巖，質(zhì)量和儲量滿足筑壩條件。為充分利用開挖量，下游次堆石區(qū)采用溢洪道弱風(fēng)化開挖料。

壩體各區(qū)填筑料技術(shù)參數(shù)要求見表1，壩體各區(qū)填筑碾壓參數(shù)及壩料質(zhì)量控制要求見表2。

滲透系數(shù)/（cm·s-1）干密度/（g·cm-3）孔隙率/%細顆粒含量（D＜5 mm）/%黏粒含量（D＜0.075 mm）/%最大粒徑/mm材料分區(qū)蓋重區(qū)（1B）特殊墊層區(qū)（2B）墊層區(qū)（2A）過渡區(qū)（3A）主堆石區(qū)（3B）下游堆石區(qū)（3C）堆石排水區(qū)（3E）下游護坡（P）巖性開挖料人工破碎及篩分的料場灰?guī)r料人工破碎及篩分的料場灰?guī)r料人工破碎料場灰?guī)r料料場灰?guī)r料溢洪道弱風(fēng)化開挖料料場灰?guī)r料料場新鮮弱風(fēng)化灰?guī)r料填筑量/萬m31.38 0.65 1.52 1.42 7.06 3.07 0.91 0.30 2.25 2.25 2.18 2.18 2.07 2.12 17 17 20 20 22 22 35～55 35～55 5～10 5～10 6～15 4～8 4～8 0～5 0～5 0～5 0～5 40 80 300 800 800 800 n×10-3n×10-3n×10-2n×10-2n×10-3n×10-1

表2 壩體各區(qū)碾壓參數(shù)及質(zhì)量控制要求

3.3 面板設(shè)計

本工程采用等厚面板，厚度0.4 m，底部最大水力梯度81.45，面積6 224 m2，澆筑混凝土量2 679 m3。面板混凝土標號為C25W10F100，為保證面板的抗裂性和耐久性，面板混凝土中摻入聚丙烯纖維并布置鋼筋，以承受混凝土溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力。施工中采用單層雙向鋼筋布置，在拉應(yīng)力區(qū)、岸邊周邊縫附近及臨近周邊縫的垂直縫附近設(shè)雙層加強鋼筋。

為適應(yīng)壩體變形，將面板分為12塊。根據(jù)地形地質(zhì)條件及應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果，并參照類似工程經(jīng)驗，兩壩肩附近的面板為受拉區(qū)，分塊長度為7 m；其余部位的面板為受壓區(qū)，分塊長度為12 m。

施工中，采用擠壓邊墻的形式對墊層料進行防護、無軌滑模方式澆筑面板混凝土。擠壓邊墻為梯形斷面，采用一級配干硬性混凝土，其設(shè)計指標為：密度＞2.05 g/cm3，28 d抗壓強度＜5 MPa，滲透系數(shù)為n×10-3cm/s。為減少擠壓邊墻對面板混凝土的約束，擠壓邊墻與面板之間設(shè)“三油兩砂”，先施工“二油兩砂”用于壩體施工期臨時度汛，待混凝土面板施工前再施工最后一層乳化瀝青。

3.4 趾板設(shè)計

趾板基礎(chǔ)建于強風(fēng)化巖體下部，為滿足水力梯度要求，寬度取4.0 m，厚度與面板厚度相同。趾板型式為連續(xù)式平趾板，不設(shè)永久縫，根據(jù)施工情況設(shè)施工冷縫，要求分塊跳倉澆筑，分塊長度不大于15 m。趾板混凝土標號為C25W10F100，其抗裂性及耐久性要求同面板混凝土。

趾板定線以“X”線為基準線，同時用于指導(dǎo)開挖定線。在“X”線的轉(zhuǎn)角處完成平板段與斜面段交角的變化，同時趾板體型在此段完成局部調(diào)整，以避免混凝土的錯臺。本工程在趾板轉(zhuǎn)彎處設(shè)連接段，從拐彎交點處各向后移3 m（在河床段后移1 m），各自形成垂直趾板的斷面，兩斷面間約6 m空間的連接段趾板為扭曲面，其余為平面。

3.5 接縫與止水

分縫的主要類型為周邊縫、面板垂直縫、防浪墻底縫、防浪墻伸縮縫、趾板與右壩肩擋墻間的水平縫等。垂直縫在距離趾板法線方向1.0 m范圍內(nèi)，垂直于周邊縫布置。

垂直縫、周邊縫、防浪墻底縫及水平縫均設(shè)上下2道止水，頂部為柔性填料，起到防滲自愈、充填止水效果，以PVC棒嵌入V形槽內(nèi)，底部為W形銅片止水（周邊縫為F形銅片止水），銅片止水下設(shè)墊片和瀝青砂墊層。周邊縫、垂直縫及防浪墻底縫的柔性止水互相連接，而且底部的銅片止水互相連接，各自形成封閉的止水系統(tǒng)。防浪墻每隔12 m分縫，設(shè)1道止水，并與防浪墻與面板間的水平縫止水構(gòu)成封閉的止水系統(tǒng)。

3.6 壩基開挖及壩基、岸坡的連接及處理

3.6.1 壩基開挖

趾板下游0.3～0.5倍壩高范圍為低壓縮區(qū)，此范圍內(nèi)松動、破碎巖體應(yīng)全部挖除，開挖坡度不陡于1∶0.5，壩軸線上游除去低壓縮性區(qū)以外的其余部位應(yīng)將妨礙堆石壓實的陡坎、倒懸體清除，或用貧混凝土、漿砌石等補成平順邊坡。壩軸線下游僅需清除覆蓋層。

3.6.2 壩基、岸坡的連接及處理

開挖揭露的不良地質(zhì)如軟弱夾層、節(jié)理裂隙等，采取局部擴挖、追蹤后以C20素混凝土回填置換處理。上游堆石區(qū)與兩岸岸坡結(jié)合部采用2 m寬的過渡料鋪填，要求盡可能使振動碾沿岸坡方向進行碾壓，碾壓不到的局部區(qū)采用夯機夯實或小型振動碾壓實。

3.6.3 防滲設(shè)計

帷幕灌漿與固結(jié)灌漿相結(jié)合布置在趾板中部。帷幕灌漿孔共1排，孔距2 m，深入透水率5 Lu線5 m，左、右壩肩均延伸至正常蓄水位與地下水位相交處并至兩壩肩以外20和50 m。

3.6.4 固結(jié)灌漿

趾板范圍的基巖均進行固結(jié)灌漿。在帷幕灌漿線的上、下游各布置1排固結(jié)灌漿孔，孔距3.0 m，孔深5 m；為提高趾板與基巖的整體穩(wěn)定性，趾板下設(shè)置φ25 mm錨筋，入巖深度為5.0 m，間、排距均為2.0 m。

3.7 壩體計算

3.7.1 滲流計算

采用《理正巖土系列軟件》（V5.5），利用有限元數(shù)值分析方法確定滲流場參數(shù)，對最大壩高剖面進行滲流計算，結(jié)果詳見表3。通過計算可知，做好混凝土防滲面板和基礎(chǔ)灌漿，壩體防滲是有保證的。

表3 大壩滲流計算成果

3.7.2 壩坡穩(wěn)定計算

壩坡穩(wěn)定分析使用中國水利水電科學(xué)研究院編制的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序—STAB2005》，采用線性和非線性2套參數(shù)對最大壩高剖面進行壩坡穩(wěn)定分析，計算結(jié)果見表4—5。

表4 線性指標計算成果

表5 非線性指標計算成果

3.7.3 有限元方法應(yīng)力應(yīng)變分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，中低壩可采用經(jīng)驗方法估算壩體變形，本工程采用2種方法對壩體變形進行分析，方法一為利用已建壩的原型觀測成果來估算壩頂?shù)某两抵?；方法二為建立二維非線性有限元模型，參考類似面板壩鄧肯—張EB模型計算參數(shù)，模擬大壩填筑和水庫蓄水過程，進行應(yīng)力應(yīng)變分析。通過2種計算方法的計算成果比對可知，壩體沉降主要發(fā)生在施工期，總沉降量約為21 cm，其中由壩體自重引起的垂直沉降量主要發(fā)生在壩體垂直方向的中部，最大沉降量約為10 cm；蓄水期沉降量不大，約為5 cm，總沉降量小于最大壩高的1%。面板最大撓度為0.23 cm，壩體最大應(yīng)力發(fā)生在壩體底部中央附近，壩體的最大第一主應(yīng)力為642 kPa。

4 施工特點及質(zhì)量控制

4.1 導(dǎo)流與度汛

導(dǎo)流建筑物設(shè)計洪水標準采用枯水期5 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為25.3 m3/s。本工程采用圍堰一次性截斷河床、上下游圍堰擋水的隧洞導(dǎo)流方案，導(dǎo)流時段共14個月，經(jīng)歷1個汛期。上下游圍堰均采用土石圍堰，復(fù)合土工膜垂直防滲型式。

4.2 壩體填筑

4.2.1 填筑前的基礎(chǔ)清理

岸坡與壩體填筑料接觸段兩岸的有機物、表土、坡積物、砂、礫石、石渣等均須清除，直至出露基巖頂面；趾板及下游低塑性區(qū)（0.3～0.5倍壩高）外的基礎(chǔ)需清除表層覆蓋層，如礫石、坡積物等，直至出露基巖頂部。

4.2.2 壩體填筑過程和要求

趾板混凝土澆筑完成后進行墊層料及下游過渡料填筑，為確保填筑質(zhì)量，填筑時應(yīng)嚴格按照碾壓實驗提供的碾壓參數(shù)及孔隙率控制，為保證各層間良好的水力過渡，每車上壩料應(yīng)具有良好的級配。

為保證面板均勻變形，壩體上游30 m范圍內(nèi)的堆石區(qū)需平起填筑，下游可高于上游。在壩體上升過程中需對邊坡進行少量的開挖，以便與上升斷面材料混合同時進行壓實。

墊層料、過渡料及相鄰的主堆石料（過渡料下游4 m范圍內(nèi)）填筑方法采用后退法，即：由下游向上游，先填1層主堆石，再填過渡料，最后填1層墊層料，堆石的平起高差不大于1層主堆石的厚度。為了保證料物之間的水力過渡，要求界面上的超徑石都要清除，即主堆石上游界面的超徑（粒徑大于30 cm）石清除后再填過渡料，過渡料上游面的超徑（粒徑大于20 cm）石清除后再填墊層料。超徑石的清除可通過反鏟及人工進行。墊層料、過渡料及相鄰主堆石料（過渡料下游4 m范圍內(nèi)）的碾壓方法為：過渡料及墊層料1層鋪平后同時碾壓，墊層料、過渡料再鋪1層與其相鄰的主堆石齊平，3種料同時碾壓，碾壓時要騎縫。在每層墊層料碾壓完畢后，鋪筑下一層前都要確定好墊層區(qū)與過渡區(qū)的界限（石灰線），以保證各區(qū)料物之間的水力過渡，并形成斜面連接。

除墊層料、過渡料和過渡料下游4 m寬主堆石外，其余堆石料應(yīng)采用進占法施工，施工時要確保各粒徑壩殼料混合均勻，以便形成良好的級配，防止出現(xiàn)架空現(xiàn)象。

壩體填筑完成后預(yù)留5個月沉降期，沉降基本完成后進行面板及壩頂施工。

5 結(jié)語

面板堆石壩具有壩坡穩(wěn)定性好，承受水壓力性能好，施工期受氣候條件影響小等優(yōu)點。妙隘水庫混凝土面板堆石壩在設(shè)計過程中根據(jù)堆石體各部分的工程特性，分別對材料的性質(zhì)、最大粒徑、顆粒級配、干密度、透水性以及施工工藝提出不同的要求，以充分利用當?shù)夭牧闲阅埽档凸こ淘靸r，方便施工。根據(jù)大壩觀測資料，壩體預(yù)留的5個月沉降期內(nèi)最大沉降量為3.4 cm，施工期總沉降量在設(shè)計估算范圍內(nèi)，與設(shè)計基本相符。

TV62+1；TV641.4

A

1004-7328（2017）04-0024-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.008

2017—03—15

李婭（1982—），女，工程師，主要從事水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。