應(yīng)縣小石口水庫(kù)工程大壩設(shè)計(jì)

康振生

（朔州市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 朔州 036002）

1 概況

小石口水庫(kù)屬于桑干河流域，位于應(yīng)縣縣城東南方向的小石峪河上，壩址距縣城約20km，距出山口的小石口村約4km，水庫(kù)大壩采用混凝土面板堆石壩，壩高46.3m，總庫(kù)容317萬(wàn)m3，工程規(guī)模為?。ㄒ唬┬停こ痰葎e為Ⅳ等。樞紐主要建筑物大壩、泄洪排沙洞、溢洪道的級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物的級(jí)別為5級(jí)，臨時(shí)性擋水和泄水建筑物為5級(jí)。

1.1 水文及氣象條件

小石峪流域?qū)俑珊蛋敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季寒冷，春季干旱多風(fēng)，夏季雨量集中。多年平均氣溫7.2℃，最高氣溫36.5℃，最低氣溫-29.5℃，多年平均降水量363.1mm，多年平均蒸發(fā)量為1818mm，最大凍土深度1.16m。

1.2 工程地質(zhì)

工程庫(kù)區(qū)左右岸主要為巖質(zhì)岸坡，局部為土質(zhì)岸坡。庫(kù)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要為單斜巖層。庫(kù)區(qū)不存在永久滲漏問(wèn)題，主要是淤積問(wèn)題。壩址工程地質(zhì)條件較好，左右壩肩巖體工程特性較好，主要存在繞壩滲漏問(wèn)題。

2 工程選址、選型與布置

應(yīng)縣目前已對(duì)7座長(zhǎng)期不具備蓄水、防洪隱患較大的小型水庫(kù)進(jìn)行了報(bào)廢處理，報(bào)廢總庫(kù)容298萬(wàn)m3，為了滿足當(dāng)?shù)厝罕娹r(nóng)業(yè)灌溉生產(chǎn)的需求，需新建小石口水庫(kù)。

2.1 工程選址、選型

2.1.1 壩址比選

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，在石峪溝初選上、下兩個(gè)壩址。上壩址位于小石口村上游約4.0km河道轉(zhuǎn)彎處，下壩址位于上壩址下游約900m處。經(jīng)綜合分析，上壩址從庫(kù)容條件、地形、地質(zhì)條件、建筑物布置以及施工條件等方面均優(yōu)于下壩址，因此，選用上壩址。

2.1.2 壩型比選

因當(dāng)?shù)厥媳容^豐富且滿足筑壩質(zhì)量要求，考慮面板堆石壩方案與堆石混凝土重力壩方案進(jìn)行比選。

混凝土面板堆石壩可以就地取材，壩體適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)，施工技術(shù)簡(jiǎn)單，工序之間干擾較小。

堆石混凝土重力壩筑壩材料強(qiáng)度高，耐久性好，泄洪建筑物能結(jié)合大壩布置，不需另設(shè)岸邊溢洪道。但堆石混凝土重力壩壩體施工工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高，造價(jià)高?；炷潦┕な軞夂蛴绊懘?，對(duì)壩基要求高，基礎(chǔ)處理復(fù)雜。

綜合以上條件，結(jié)合運(yùn)行管理、工程量及投資等方面，決定采用混凝土面板堆石壩方案。

2.2 工程布置

水庫(kù)樞紐工程，由混凝土面板堆石壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、取水建筑物等組成。

大壩設(shè)計(jì)為混凝土面板堆石壩，壩頂長(zhǎng)145m，壩頂寬6m，壩頂高程1318.5m，最大壩高46.3m。大壩上、下游壩坡均為1∶1.4，下游壩坡在高程1304.5m和1290.5m處設(shè)有2m寬的馬道。

溢洪道為壩肩開(kāi)敞式溢洪道，布置于水庫(kù)左岸左壩頭，溢洪道總長(zhǎng)138.59m?？刂贫尾捎民劮逖撸唔敻叱?313m，設(shè)2孔，每孔凈寬7.5m，無(wú)閘門(mén)。泄槽底坡為1∶2.0，出口挑流鼻坎頂高程為1279.43m。

泄洪洞布置在左岸，位于溢洪道左側(cè)，總長(zhǎng)179.49m。泄洪洞進(jìn)口設(shè)岸邊式進(jìn)水塔，進(jìn)口底高程1285.6m，工作閘門(mén)和檢修閘門(mén)均設(shè)置于進(jìn)水塔內(nèi)，隧洞縱坡1/100，無(wú)壓洞，出口底高程1282.46m，出口挑流鼻坎頂高程1285.13m。

3 主要建筑物設(shè)計(jì)

3.1 大壩

3.1.1 壩頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水庫(kù)采用混凝土面板堆石壩，壩頂長(zhǎng)145m，壩頂寬6m，壩頂高程1318.5m，趾板底面最低高程1272.2m，趾板下設(shè)單排灌漿帷幕，孔距為2m，灌漿深度為35m。最大壩高46.3m。壩頂上游側(cè)設(shè)L型C25鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程1319.7m，墻底高程1315.2m，墻高4.5m，頂寬40cm，底寬4.0m。防浪墻上游側(cè)底部設(shè)置寬0.8m的小道，以利檢查行走。壩頂下游側(cè)設(shè)高0.8m預(yù)制混凝土塊路緣石。壩頂為水庫(kù)內(nèi)部交通道路，采用C25混凝土路面，厚22cm，其下設(shè)20cm厚水泥穩(wěn)定碎石墊層。路面橫向坡度2%，坡向下游。

3.1.2 壩坡設(shè)計(jì)

壩坡的選擇是根據(jù)山西省水利廳2013年9月編制的《小型水庫(kù)更新建設(shè)工程設(shè)計(jì)文件匯編》，小于50m壩高上、下游壩坡均為1∶1.4，下游壩坡在1304.5m和1209.5m高程設(shè)馬道，寬度2.0m。下游采用干砌塊石護(hù)坡，厚度40cm。

3.1.3 壩體分區(qū)與壩料選擇

壩體堆石分區(qū)填筑，分層碾壓，碾壓應(yīng)采用進(jìn)退錯(cuò)距法，壩體堆石分區(qū)上游到下游依次分為：上游鋪蓋區(qū)、上游蓋重區(qū)、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、下游護(hù)坡區(qū)。

上游鋪蓋區(qū)：采用粉土、粉細(xì)砂填筑，頂寬2m，上游坡比1∶1.75。

上游蓋重區(qū)：采用渣料填筑，頂寬5m，上游坡比1∶2.5。

墊層區(qū)：要求具有連續(xù)級(jí)配，石料最大粒徑80mm，小于5mm的顆粒含量為30%～50%，小于0.075mm的顆粒含量不超過(guò)8%。墊層水平寬度3.0m，鋪筑層厚度40cm，設(shè)計(jì)孔隙率不大于16%。壓實(shí)后應(yīng)具有內(nèi)部滲透穩(wěn)定性、低壓縮性、高抗剪強(qiáng)度。

特殊墊層區(qū)：該區(qū)為趾板周邊縫下的特殊墊層區(qū)，薄層碾壓密實(shí)。石料最大粒徑40mm，小于5mm的顆粒含量為30%～50%，小于0.075mm的顆粒含量不大于8%，鋪筑層厚度20cm，設(shè)計(jì)孔隙率不大于15%。

過(guò)渡區(qū)：要求級(jí)配連續(xù)，石料最大粒徑300mm，小于5mm的顆粒含量不大于20%，小于0.075mm的顆粒含量不超過(guò)6%。過(guò)渡區(qū)水平寬度3.0m，鋪筑層厚度40cm，設(shè)計(jì)孔隙率不大于19%。壓實(shí)后應(yīng)具有低壓縮性和高抗剪強(qiáng)度，并具有自由排水性能。

主堆石區(qū)：最大粒徑800mm，小于5mm的顆粒含量不大于20%，小于0.075mm的顆粒含量不超過(guò)5%。鋪筑層厚度80cm，設(shè)計(jì)孔隙率不大于21%。壓實(shí)后能自由排水，有較高的壓實(shí)密度和變形模量。

下游堆石區(qū)：石料最大粒徑800mm，小于5mm的顆粒含量不大于20%，小于0.075mm的顆粒含量不超過(guò)5%。鋪筑層厚度80cm，設(shè)計(jì)孔隙率不大于25%。

壩體下游面護(hù)坡：要求護(hù)坡塊石料有較高的抗風(fēng)化能力，采用從石料場(chǎng)開(kāi)采的塊石。護(hù)坡厚度采用40cm，平均粒徑25cm，最大粒徑30cm。

3.2 溢洪道

溢洪道為壩肩開(kāi)敞式溢洪道，由引渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段組成，布置于水庫(kù)左岸左壩頭，沿壩體左壩坡線斜交布置，最大泄量358.10m3/s，溢洪道總長(zhǎng)138.59m。

引渠為喇叭進(jìn)口，斷面為矩形，軸線長(zhǎng)30.82m，平底，底高程1312.05m。底板和邊墻為整體結(jié)構(gòu)，右邊墻與壩體面板相接，采用C25鋼筋混凝土整體澆筑，底板與邊墻厚均為500mm，左側(cè)邊墻采用直徑22長(zhǎng)3m的砂漿錨桿與岸坡巖石連接，錨桿間距2m。

控制段座落于基巖上。凈寬2×7.5m，進(jìn)口為駝峰堰，堰頂高程1313m，為無(wú)控制駝峰堰，駝峰堰上設(shè)一中墩，厚1.0m，中墩上、下游墩頭為半圓形，兩側(cè)邊墩厚0.8m、底板厚1.0m，采用C25鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)。在墩頂部設(shè)交通橋連接兩岸公路，橋面高程1319.30m，橋?qū)?.0m，為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土T型梁組成。

泄槽段長(zhǎng)67.66m，凈寬16m，包括拋物線連接段和陡坡段。拋物線將控制段和陡坡段連接，陡坡段底坡為1∶2.0，下游接挑流段。泄槽為矩形槽，邊墻底板為整體式，底板厚0.5m。邊墻高6.45～2.35m，左、右岸寬0.5m，墻后直挖，墻頂以上開(kāi)挖坡度1∶0.5。為防止泄槽磨蝕破壞，邊墻及底板均采用C35抗沖磨混凝土。為增強(qiáng)泄槽底板的穩(wěn)定性，減小泄洪時(shí)底板上脈動(dòng)壓力，在泄槽底板上按梅花形布設(shè)長(zhǎng)2.0m直徑22mm錨桿，間距、排距均為2.0m。底板布設(shè)情況設(shè)2條縱縫；沿水流方向每10m（水平面間距）設(shè)一橫縫?？v、橫縫均為平縫，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水。

挑流鼻坎頂高程1279.43m，反弧半徑18m，挑角20°。挑流鼻坎段邊墻高2.35～4.25m，墻頂寬度0.5m，控制底板最薄處厚度1.5m。鼻坎上、下游設(shè)齒槽，根據(jù)地質(zhì)情況，上游齒槽深1.5m，下游齒槽深4m，底寬為1.0m，內(nèi)側(cè)邊坡1∶0.3。邊墻和底板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在迎水面各設(shè)30cm厚C35抗沖磨混凝土，提高挑流的抗沖耐磨能力，其余部分均為C25混凝土。挑流鼻坎下游出口段底高程1276.84m。

泄槽段及挑流段的縱、橫縫內(nèi)均設(shè)橡膠止水。泄槽段底板下設(shè)縱、橫排水溝形成排水系統(tǒng)，通過(guò)挑流鼻坎段底板埋管再排入下游河道。

3.3 導(dǎo)流泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)流泄洪洞由進(jìn)口段、閘室段、無(wú)壓洞段、挑流段及出口段五部分組成。

3.3.1 進(jìn)口段

樁號(hào)X0-015.54～X0-013.50為進(jìn)口段，進(jìn)口明渠段斷面呈梯形，平底，底高程1285.60m，邊墻為基巖上直接削坡而成，開(kāi)挖邊坡為1∶0.3，為防止岸坡風(fēng)化坍塌，在基巖開(kāi)挖后及時(shí)采用C20混凝土對(duì)開(kāi)挖基巖面進(jìn)行噴護(hù)處理，對(duì)巖石破碎部分，再以長(zhǎng)2.0m的直徑22mm錨桿加以支護(hù)。

3.3.2 閘室段

樁號(hào)X0+000.0～X0-013.50為岸坡式進(jìn)水塔閘室段，長(zhǎng)13.50m，總寬7.0m，閘室底板高程1285.60m，進(jìn)水塔頂高程1318.50m，高32.9m。閘室內(nèi)上游設(shè)平板事故檢修閘門(mén)1扇，下游設(shè)平板工作門(mén)1扇，平板檢修門(mén)的孔口尺寸為（寬×高）4.0m×4.0m；平板工作門(mén)的孔口尺寸為（寬×高）4.0m×3.6m，檢修平臺(tái)設(shè)在進(jìn)水塔頂部1318.50m處。檢修平臺(tái)與啟閉平臺(tái)之間設(shè)置C30鋼筋混凝土排架相連，排架高8.50m，排架上部啟閉機(jī)房為磚混結(jié)構(gòu)，室內(nèi)布置三臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)（一臺(tái)啟閉檢修門(mén)，一臺(tái)啟閉工作門(mén)），平面尺寸7.0m×10.55m，高4.0m。在檢修平臺(tái)和啟閉平臺(tái)之間設(shè)鋼梯。

進(jìn)水塔塔身邊墻厚1.5m，中間隔墻厚度為1.0m，上、下游邊墻厚度分別為1.0m、1.2m，底板厚1.5m，上，下游設(shè)齒槽，深1.5m，齒槽底寬0.8m。

3.3.3 壓洞段

樁號(hào)X0+000.00—X0+130.0段為無(wú)壓洞段，長(zhǎng)130m，底坡1/100，下游接挑流段。無(wú)壓洞斷面為城門(mén)洞型，凈寬4.0m，直墻高4.6m，洞凈高5.4m。

考慮無(wú)壓洞進(jìn)口10m、出口20m為Ⅴ類(lèi)圍巖，其余圍巖類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，因此隧洞進(jìn)、出口開(kāi)挖后，進(jìn)行全斷面噴錨支護(hù)，其余洞段根據(jù)實(shí)際情況噴護(hù)。無(wú)壓洞襯砌厚度為50cm，考慮隧洞抗氣蝕、抗磨蝕要求，全斷面設(shè)C35抗沖磨混凝土。

3.3.4 挑流段及出口段

樁號(hào)X0+130—X0+144.45段為挑流段，底寬由4m擴(kuò)散到7m，擴(kuò)散角5.93°，側(cè)墻高5.4～5.79m其中，樁號(hào)X0+130～X0+135.12為拋物線段，矩形斷面，樁號(hào)X0+135.12～X0+144.45為反弧段，反弧半徑20m，挑角20°，鼻坎頂高程1285.13m，反弧底高程1283.92m，反弧末端設(shè)深3.0m、底寬1.0m的齒墻。為確保挑流段底板的穩(wěn)定，采用直徑22mm錨筋與基巖連接，錨筋長(zhǎng)2.0m，間距2.0m，梅花型布置；出口洞頂巖石開(kāi)挖后，根據(jù)實(shí)際情況采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，噴混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，厚度10cm，掛網(wǎng)筋采用直徑8mm，間距20cm×20cm，錨筋采用直徑22mm，長(zhǎng)2.0m，梅花型布置。

樁號(hào)X0+144.45—X0+163.95段為出口段，出口段開(kāi)挖底高程1282.46m。

該隧洞主要起導(dǎo)流和泄洪的作用，運(yùn)行期考慮水庫(kù)排沙，結(jié)合壩高盡量不超過(guò)50m，確定隧洞斷面采用城門(mén)洞型，凈斷面尺寸為4m×5.4m。

4 施工

4.1 施工條件

壩址附近有大石線公路，可通往應(yīng)縣縣城和繁峙縣城，附近有G18高速公路，因此工程對(duì)外交通比較方便。工程所用混凝土粗、細(xì)骨料全部外購(gòu)，塊石料在料場(chǎng)開(kāi)采。

4.2 施工導(dǎo)流

采用全斷面一次攔斷河床圍堰導(dǎo)流方式，上下游圍堰擋水，導(dǎo)流泄洪洞導(dǎo)流。為充分利用開(kāi)挖料，圍堰采用土石圍堰。

上游圍堰長(zhǎng)48m，最大堰高8.54m，頂寬為6m。圍堰上、下游邊坡均為1∶2.0。圍堰堰體采用復(fù)合土工膜防滲，復(fù)合土工膜設(shè)在堰體上游，堰基采用粘土截水槽防滲。

下游圍堰長(zhǎng)40m，最大堰高2.0m，堰頂寬6m。上下游邊坡均采用1∶1.5，迎水面采用編織袋土防護(hù)厚0.5m，堰基不考慮防滲。

施工導(dǎo)流的泄水建筑物利用永久工程的泄洪洞。

4.3 施工總布置

生活區(qū)布置在大壩下游右岸的溝地上，混凝土澆筑系統(tǒng)采用集中布置的形式，布置在大壩下游左岸現(xiàn)有公路臨河側(cè)填筑的臺(tái)地上，分別設(shè)置混凝土拌和站及相應(yīng)的水泥倉(cāng)庫(kù)（水泥儲(chǔ)罐）、骨料堆場(chǎng)。

5 工程管理

管理站設(shè)綜合辦公組、工程管理組。負(fù)責(zé)大壩、泄洪洞、溢洪道等的管理，包括水庫(kù)的管理調(diào)度、水文測(cè)驗(yàn)及預(yù)報(bào)、水工建筑物及機(jī)電金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的維護(hù)與修理等。