代沖溪水庫砼砌毛石重力壩優(yōu)化設(shè)計研究

劉 軍，譚劍波

(1.貴州眾誠天河水利工程有限公司，貴陽 550003； 2.楊凌職業(yè)技術(shù)學院 水利工程學院，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

代沖溪水庫位于貴州省錦屏縣敦寨鎮(zhèn)筍屯村境內(nèi)，距錦屏縣城約24 km，距敦寨鎮(zhèn)約2.5 km。其壩址位于長江流域沅江水系清水江二級支流(亮江為一級支流)代沖溪下游河段。壩址集雨面積5.04 km2，主河道長6.4 km，河床平均比降31.38‰。水庫總庫容149×104m3，供水量為171.01×104m3(扣除生態(tài)水)，壩型為C15砼砌毛石重力壩，最大壩高61 m。工程供水對象為下游敦寨新區(qū)-敦寨居住區(qū)，設(shè)計引水流量0.085 m3/s。工程為Ⅳ等小(I)型工程。

2 庫區(qū)水文地質(zhì)條件

庫區(qū)多為第四系(Q)地層所覆蓋，僅近庫盆沖溝底部陡坡陡坎處出露少量基巖。第四系(Q)主要為沖、洪積物、崩坡積物及坡殘積物。沖、洪積物主要分布于庫盆沖溝及支溝底部，崩坡積物主要分布于庫盆沖溝及支溝陡坡下部，坡殘積物主要分布于溝谷兩岸坡上部緩坡及緩坡平臺地帶?；鶐r地層為元古界震旦系下統(tǒng)長安組第一段(Zac1)及前震旦系板溪群隆里組第二段(Ptbn2)，其中長安組第一段可分為上下兩層(Zac1-1、Zac1-2)，庫區(qū)范圍內(nèi)上、下兩層均有出露，多位于庫首，隆里組第二段(Ptbnl2)多出露于庫區(qū)中部及尾部。

庫區(qū)位于同古向斜西北翼與鐘靈斷層構(gòu)成的三角形地帶，距西北側(cè)鐘靈斷層約2.1 km，距南東側(cè)同古向斜約0.4 km。巖層產(chǎn)狀N35°～45°E，SE∠16°～26°，巖層總體為單斜構(gòu)造，庫區(qū)無區(qū)域性斷層通過。庫區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體風化剝蝕作用、岸坡巖體崩塌，無滑坡、泥石流等不良地質(zhì)體。庫區(qū)處于非可溶巖地區(qū)，屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，降雨較為充沛，多年降雨量為1 119.5 mm，流域內(nèi)最大年降水量1 659.7 mm(1968年)，最小年降水量為750.8 mm。地表及地下水主要接受大氣降水補給，向代沖溪排泄。區(qū)內(nèi)地下水類型為覆蓋層中孔隙潛水和基巖裂隙水。庫區(qū)所在沖溝為斜向谷，巖層視傾下游偏右岸，巖層傾角較緩，一般15°～25°，兩岸山體較為寬厚。庫盆地形封閉較好。庫區(qū)發(fā)育的小斷層，透水性小。據(jù)鉆孔水位觀測，左岸近岸地下水水力坡度一般15°～25°，右岸近岸一般10°～20°，結(jié)合庫區(qū)地表水及泉水出露情況分析，兩岸地下水位高于正常蓄水位。

3 砼砌毛石重力壩結(jié)構(gòu)布置

3.1 首部樞紐布置

首部樞紐布置為：大壩+壩頂開敞式溢洪道+取水兼放空底孔等組成，見圖1。

圖1 砼砌毛石重力壩樞紐布置圖

3.1.1 擋水建筑物

大壩為4級建筑物，洪水標準按30年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核。大壩為C15砼砌毛石重力壩，軸線方位角為 N1.05°E，最大壩高61 m，壩頂寬6 m，壩底最大寬49.85 m，壩頂長153.42 m，分為左右岸非溢流壩段和河床溢流壩段。左岸非溢流壩段長62.50 m，右岸非溢流壩段長73.92 m，河床溢流壩段長17 m。在重力壩上下游均設(shè)齒墻。壩體橫縫間距為20～25 m，縫寬為0.02 m，上游迎水面設(shè)兩道銅片止水，下游背水面設(shè)一道銅片止水。

3.1.2 溢洪道

溢流采用壩頂開敞式溢洪道，位于大壩中段，堰頂高程446.00 m，溢流段凈寬14 m，分2孔布置，每孔凈寬7 m，溢洪道水平長度49.85 m。末端采用底流消能，壩腳設(shè)長25.00 m的 C25鋼筋混凝土消力池，消力池深為3.0 m。

3.1.3 取水兼放空系統(tǒng)

取水兼放空底孔系統(tǒng)位于大壩左岸，設(shè)1.60 m×1.30 m攔污柵和1.00 m×1.00 m平板閘門各1扇，后接放空鋼管。鋼管管徑0.8 m，末端設(shè)閘閥室控制放空、輸水及生態(tài)放水，總長40.80 m。

3.2 壩體結(jié)構(gòu)布置及壩基處理

3.2.1 壩體結(jié)構(gòu)布置

壩頂寬度為6 m，壩頂高程為449.00 m，壩體上游從壩頂408.00 m鉛直，408.00 m～壩基坡比1∶0.2。大壩下游坡比1∶0.75，起坡點高程為441.00 m。最大壩底寬度為49.85 m，壩體建基面高程388.00 m，最大壩高61 m，壩頂長153.42 m。左岸上壩公路與壩頂相接，壩頂中部溢洪道上部設(shè)寬6 m的交通橋連接左右壩段，大壩壩頂上下游均設(shè)高1.2 m的C15砼預(yù)制欄桿。在壩體內(nèi)設(shè)置灌漿兼排水廊道。在壩體高程408.00 m布設(shè)水平廊道，并在兩岸下游431.00 m高程處設(shè)置廊道出口，左右岸廊道坡比為1∶1～1∶1.25，廊道距上游壩面4.0 m，為城門洞形(b×h=2.5 m×3.5 m)。壩體內(nèi)設(shè)置排水管幕，到上游壩面距離4 m，排水管采用內(nèi)徑為150 mm的無砂多孔砼管，間距3 m。

3.2.2 壩基處理

3.2.2.1 基礎(chǔ)開挖

大壩基坑邊坡開挖高度較高，需進行放坡開挖，尤其是兩壩肩邊坡開挖深度更高更陡。在壩底(高程388.00 m)～壩頂(高程449.00 m)范圍內(nèi)，左右岸均采用坡比1∶0.5進行放坡開挖，10 m設(shè)置一級馬道，馬道寬5.0 m。兩岸及河床上下游弱風化層采用1∶0.5進行放坡開挖,強風化層采用1∶0.75進行放坡開挖，覆蓋層采用1∶1進行放坡開挖。

3.2.2.2 大壩防滲帷幕灌漿、固結(jié)灌漿

大壩建成后，庫水會沿河谷壩基巖石中的裂隙、壩體向大壩下游滲流，需對壩基、壩肩進行帷幕和固結(jié)灌漿處理[1，2]。帷幕灌漿設(shè)計采用單排孔，孔距3 m，帷幕灌漿孔的最終影響范圍為最終孔距的75%，即2.25 m，按三序孔進行施工。設(shè)計孔口高程在壩基、壩肩部位為壩基開挖線以上1.5 m，不得小于1.5 m。起灌高程在兩岸坡為正常蓄水位高程，在壩基、壩肩為壩基以上1.0 m。帷幕邊界以地下水位與正常蓄水位高程相交為準，帷幕防滲底限在壩基以下15 m左右，并且要求巖石透水率小于3 Lu。帷幕線長363 m，孔距3 m，共布灌漿孔122個。帷幕灌漿造孔總進尺6 776 m，其中灌漿進尺4 418 m，無效進尺2 357 m。

固結(jié)灌漿處理全部壩基，均布置于帷幕灌漿孔下游，固結(jié)灌漿底界為壩基以下巖石5～8 m，邊界為整個壩基范圍，孔口高程為建壩1.5 m以上，設(shè)計固結(jié)灌漿孔共14排。第一排固結(jié)灌漿孔布置在帷幕灌漿孔上游，第二排固結(jié)灌漿孔布置于帷幕灌漿孔下游，以此類推至第十四排灌漿孔，排距及孔距均為3.0 m，共計445個孔，呈梅花型布置，按Ⅰ、Ⅱ序孔進行施工。設(shè)計壩體固結(jié)灌漿造孔總進尺7 985 m，其中灌漿進尺3 738 m，壩體無效進尺4 247 m。固結(jié)灌漿檢查孔按總孔數(shù)10%布置。

4 砼砌毛石重力壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計計算

4.1 壩頂高程確定

根據(jù)調(diào)洪計算成果，大壩設(shè)計洪水位447.36 m(P=3.33%)，相應(yīng)下游水位405.33 m，下泄流量43.30 m3/s，對應(yīng)庫容為146×104m3；大壩校核洪水位447.73 m(P=0.5%)，相應(yīng)下游水位405.50 m，下泄流量62.20 m3/s，對應(yīng)庫容為149×104m3；消能防沖洪水標準P=5%時，大壩上游洪水位447.28 m，相應(yīng)的下游洪水位405.29 m，下泄流量39.50 m3/s，對應(yīng)庫容為145×104m3；水庫正常蓄水位為446.00 m。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319-2005)[3,4]，壩頂高程應(yīng)高于校核洪水位，墻頂高程=水庫靜水位+壩頂超高Δh。壩頂高程計算考慮兩種工況：①正常高水位+正常運行條件下的墻頂超高；②校核洪水位+非常運行條件下的墻頂超高。計算各工況條件下壩頂高程成果見表1。

表1 壩頂高程計算成果表

防浪墻頂高程由設(shè)計洪水位工況控制，考慮溢洪道交通橋孔凈高滿足泄洪要求，壩頂高程按不低于水庫校核洪水位447.73 m確定，溢洪道交通橋梁高為1.0 m，綜合考慮選取壩頂高程為449.00 m。由于壩頂高程比計算的防浪墻頂高程要高，故壩頂不設(shè)防浪墻。

4.2 大壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力分析

4.2.1 大壩抗滑穩(wěn)定分析

基巖體為層狀結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)面以面層為主，巖層以緩傾下游偏右岸，與河床走向呈斜交。根據(jù)層面與裂隙的組合，重力壩的滑動模式有以下兩種：表層滑動和深層滑動。據(jù)鉆孔揭露，層面發(fā)育，陡傾角裂隙發(fā)育，軟弱夾層及緩傾角裂隙不發(fā)育，并且多為硬性結(jié)構(gòu)面，河床下游附近無臨空面存在，不能完全構(gòu)成壩基深層滑移的邊界條件，壩基深層滑動的問題不突出。因此，只有沿建基面滑動的可能[5]。表層滑動：沿開挖基巖面與混凝土接觸面①產(chǎn)生滑移，抗滑力由壩體自重及滑動面物理力學性質(zhì)所決定，見圖2。

圖2 壩基淺層抗滑穩(wěn)定示意圖

4.2.1.1 抗滑穩(wěn)定計算物理參數(shù)及荷載組合

筑壩材料容重γc=23.50 kN/m3；水容重γw=9.8 kN/m3；淤沙浮容重γsb=6.5 kN/m3；淤沙高度Hs=21.85 m；C15砼砌毛石壩體抗壓強度fk=2.6 MPa；墊層砼/基巖摩擦系數(shù)f′=0.8；壩基承載力為2.5 MPa；墊層砼/基巖凝聚力C′=0.70 MPa；主排水孔滲壓系數(shù)α=0.3。

抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力計算的荷載組合分基本組合和特殊組合兩種[6]，即正常蓄水位基本組合①：自重+靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力+土壓力+其他荷載；設(shè)計洪水位基本組合②和特殊組合③：自重+靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力+動水壓力+土壓力+其他荷載。

4.2.1.2 壩體抗滑穩(wěn)定計算

按抗剪斷強度公式，按規(guī)定計算工況進行大壩抗滑穩(wěn)定計算，計算成果見表2。

表2 大壩抗滑穩(wěn)定計算成果表

從表2可知，采用抗剪斷強度公式計算，基本組合時安全系數(shù)K′值均大于3.0，最小為3.11；特殊組合時均大于2.5，最小為3.07，均滿足規(guī)范要求，壩體抗滑穩(wěn)定性較高。

4.2.2 壩體應(yīng)力分析

壩體材料為C15毛石砼重力壩，將壩體視為一個剛體[7,8]。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319-2005)，計算得到運用期(2種基本組合工況和1種特殊組合工況)和施工期各壩段處的應(yīng)力計算成果，見表3。

表3 大壩應(yīng)力計算成果表

壩體材料為C15毛石砼重力壩，要求壩體應(yīng)力控制指標為：①運用期：壩基面最小應(yīng)力要求>0.0 MPa，最大應(yīng)力<2.5 MPa；壩體最小主應(yīng)力≥0.0 MPa，最大應(yīng)力<2.6 MPa；②施工期：壩基面最小應(yīng)力要求>-0.10 MPa，最大應(yīng)力<2.5 MPa；壩體最小主應(yīng)力>-0.20 MPa，最大應(yīng)力<2.6 MPa。由表3可知，大壩壩基面和壩體最大、最小應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

代沖溪水庫壩址區(qū)河谷谷底較狹窄，呈對稱V型。庫區(qū)位于華南褶皺帶，區(qū)內(nèi)斷裂無活動表現(xiàn)，為相對穩(wěn)定的構(gòu)造單元，庫盆區(qū)地形封閉性好，成庫條件較好。為確保水庫樞紐建筑物具有較高安全可靠性，在擋水大壩整體布置和結(jié)構(gòu)計算中進行了詳細論證分析，優(yōu)選技術(shù)合理和經(jīng)濟優(yōu)越的設(shè)計方案，為工程施工建設(shè)提供重要設(shè)計技術(shù)保障。

1) 根據(jù)庫區(qū)地形地貌和水文地質(zhì)條件，結(jié)合筑壩材料、施工度汛等因素，設(shè)計優(yōu)選工程量較省、投資經(jīng)濟效益高和施工度汛風險較小的C15砼砌毛石重力壩方案。

2) 結(jié)合調(diào)洪計算，最終確定壩頂高程為449.00 m，壩頂不設(shè)防浪墻。經(jīng)壩基固結(jié)灌漿、帷幕灌漿防滲和壩肩邊坡錨噴支護加固等工程處理措施后，庫盆區(qū)成庫條件良好。

3) 根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319-2005)規(guī)范，結(jié)合地質(zhì)分析成果，對優(yōu)化后的壩體結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性和應(yīng)力進行分析計算。結(jié)果表明，在不同荷載組合工況條件下，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基面與壩體應(yīng)力等特征指標均滿足規(guī)范要求。