毛竹林水庫混凝土面板堆石壩設(shè)計

趙志遠，龍明星，李斌旭

(1.貴陽市水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550000；2.西安理工大學，陜西 西安 710048)

1 工程概況

毛竹林水庫位于開陽縣龍水鄉(xiāng)，距開陽縣城直線距離僅32km，是一座以解決構(gòu)皮灘電站水庫淹沒搬遷龍水鄉(xiāng)移民的農(nóng)田灌溉及生活用水的水源工程。壩址以上集雨面積8.1km2(其中地下集雨面積6km2)，年平均徑流量394×104m3。大壩最大壩高38.5m，正常蓄水位885.50m，死水位873.20m，調(diào)節(jié)庫容65.5×104m3，總庫容110×104m3。工程主要由混凝土面板堆石壩、右岸岸邊開敞式溢洪道、導流兼放空及引水(三洞合一)隧洞等組成。工程等別為Ⅳ等，規(guī)模屬小(1)型。水庫建成后，每年可提供276.6×104m3飲用水和環(huán)境用水，這將有效解決龍水鄉(xiāng)人民基本生活用水和基本農(nóng)田用水問題。

2 壩址地質(zhì)條件評價及壩型比選

毛竹林水庫壩址位于霍麻溝中段，河流流向自東向西，呈“V”型谷。由于壩段所在的河谷地形受左右岸沖溝的切割，以及河容寬度的限制，往上移則庫容無幾，往下移則斷面增大，壩址選擇具有唯一性。壩址河谷底寬30m，兩岸自然邊坡坡角均為40°左右，較為對稱。出露地層均為下寒武統(tǒng)金頂山組(∈1j)粉砂巖及砂質(zhì)頁巖，巖層產(chǎn)狀右岸為傾向300°～310°傾角12°～14°，左岸為傾向125°～135°傾角3°～5°，巖層產(chǎn)狀與河谷之間關(guān)系屬斜向谷，但由于巖層傾角較小，故斜向谷結(jié)構(gòu)對工程的影響較小。

壩址出露的地層為下寒武統(tǒng)金頂山組的薄至中層砂質(zhì)頁巖及粉砂巖，屬非巖溶化巖石，巖性尚屬堅硬，但表層的節(jié)理裂隙發(fā)育。河床下部夾有7.5m厚的灰?guī)r，巖性堅硬，抗壓強度較高。因其上、下部分均為粉砂巖及砂質(zhì)頁巖，該灰?guī)r夾層未見溶蝕現(xiàn)象。壩軸線巖層產(chǎn)狀呈簡單的單斜構(gòu)造，但沿庫區(qū)河床有斷裂構(gòu)造通過。

壩址河床部位有一縱向區(qū)域性斷層通過，導致壩基河床因存在斷層破碎帶及斷層影響帶而具有較大的透水性[1]。河床多個鉆孔曾出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，掉鉆長度分別為2.6m和0.35m，巖芯也較為破碎。干鉆時巖芯呈糜棱狀，全孔壓水試驗時基本不起壓，說明在該孔段透水性大。為保證壩基防滲要求，除對壩基開挖應(yīng)適當加深外，其防滲的必要措施可沿面板壩趾板設(shè)計灌漿帷幕，并在壩基及岸坡部位沿趾板設(shè)計固結(jié)灌漿[2]。

壩基、肩出露的地層巖性尚屬堅硬，在開挖至弱風化帶的條件下，可以滿足修建剛性壩的基本要求[3]。但據(jù)勘探鉆孔資料，壩基河床在高程827m以上巖體的透水性仍較大，需進行防滲及固結(jié)灌漿處理?？紤]對面板堆石壩及砌石拱壩進行壩型比較，分析結(jié)果表明：壩基、肩出露的砂質(zhì)頁巖裂隙較發(fā)育，其抗壓、抗剪強度偏低。同時，河床中部有一區(qū)域性構(gòu)造斷裂穿過，強風化深度較深。為滿足壩基應(yīng)力和拱端穩(wěn)定要求，拱壩設(shè)計需要加大壩體尺寸，加大壩肩嵌深，需要加做人工基礎(chǔ)，因而工程量大增，失去拱形結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。經(jīng)兩種壩型適應(yīng)性、壩型布置、基礎(chǔ)處理及工程投資等方面的對比分析，設(shè)計優(yōu)選混凝土面板堆石壩型。

3 水庫首部樞紐布置

毛竹林水庫首部樞紐經(jīng)優(yōu)化布置，確定由混凝土面板堆石壩，右岸岸邊開敞式無閘溢洪道，右岸由導流兼放空及引水(三洞合一)隧洞等水工建筑物組成。

3.1 混凝土面板堆石壩

毛竹林水庫大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩軸線方位角為178.65°，壩頂軸線長106.60m，壩頂高程888.00m，防浪墻頂高程889.20m，河床趾板建基面高程849.50m，最大壩高38.50m。壩頂路面凈寬度為5.0m，考慮上游防浪墻厚及下游擋墻厚，壩頂總寬度為5.8m，上游壩坡為1∶1.4，下游坡度1∶1.4，在下游871.30m高程設(shè)一級馬道，寬2.0m?；炷撩姘宀捎玫群衩姘澹穸葹?.4m?；炷林喊宀贾糜谌躏L化巖體上部，厚度為0.5m、寬度為5.0m。

3.2 開敞式溢洪道

溢洪道布置在右壩端，為開敞式無閘控制溢洪道，凈寬10m，為WES實用堰[4]，冪曲線為y=0.3899x1.85，堰頂高程885.50m。在堰頂上設(shè)一交通橋，交通橋?qū)?.0m，橋面高程為888.00m，溢洪道軸線方位角為262.35°，整個溢洪道由進水渠、控制段、泄槽、消能工組成，樁號總長137.759m。泄槽起始段寬為10m，在溢0+018.514m收縮至8.0m，溢0+018.514～溢0+98.859m泄槽寬為8.0m。泄槽采用C20混凝土襯砌，泄槽邊墻高1.5m，邊墻及底板襯砌厚0.4m。出口消能工采用底流消能，底板高程為852.50m。

3.3 導流、放空兼取水三合一隧洞

導流兼放空及引水隧洞布置在右岸，洞總長165.32m，利用導流洞長107.436m，占引水放空全長64.9%?！褒?zhí)ь^”段進口底板高程866.00m，樁號為洞0+000.00m～洞0+044.715m，“龍?zhí)ь^”段洞徑為2.0m，前面設(shè)置漸變段，由2.0m×2.0m方形孔漸變?yōu)橹睆?m的圓形洞，樁號“洞0+44.715m～洞0+057.883m”段為“龍?zhí)ь^”后的豎向轉(zhuǎn)彎段，洞徑2.0m，樁號“洞0+057.883～洞0+165.32”洞徑為2.0m，出口底板高程854.672m。隧洞全洞段采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚0.3m，并在頂拱120°范圍內(nèi)進行回填灌漿。整個洞身段考慮進行固結(jié)灌漿，排距3m，每排均布6孔，孔深5m。

4 大壩結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算

4.1 壩頂高程

水庫位于較窄“V”型河谷，校核洪水位887.30m(P=0.33%)，設(shè)計洪水位886.60m(P=3.3%)，正常蓄水位885.50m，死水位873.20m。壩區(qū)水庫風區(qū)長度(吹程)D=0.8km；設(shè)計風速正常運用條件下為W=18.0m/s，非常運用條件下為W=12.0m/s。根據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定[5-6]，大壩建筑物為4級，安全加高：正常運行工況為0.5m，非常校核運行工況為0.3m。由于D<20000m，W<20m/s，采用官廳水庫公式，計算大壩壩頂高程成果詳見表1。

表1 壩頂高程計算成果表 單位：m

根據(jù)表1計算成果，按壩頂設(shè)防浪墻結(jié)構(gòu)考慮，取墻頂高程為889.20m。由于墻頂高程應(yīng)高出壩頂1.2m，壩頂高程確定為888.00m。

4.2 大壩標準橫剖面

大壩洪水標準按30年一遇設(shè)計，300年一遇校核?；炷撩姘宥咽瘔螇屋S線方位角為178.65°，壩頂軸線長106.60m，壩頂高程888.00m，防浪墻頂高程889.20m，河床趾板建基面高程849.50m，最大壩高38.50m。壩頂無交通要求，壩頂凈寬5.0m(不含上下游擋墻)。壩頂上游設(shè)“L”型混凝土防浪墻，墻高3.3m，頂部高程889.20m，混凝土面板頂部水平高程為886.30m，高于正常蓄水位885.50m，防浪墻上游側(cè)底部設(shè)置0.8m寬的小道，以便檢查行走。壩頂下游也設(shè)置“L”型混凝土擋墻，墻頂高程888.30m，壩頂下游設(shè)置排水溝。混凝土面板堆石壩壩坡，根據(jù)壩基巖石強度、構(gòu)造和筑壩材料的工程性質(zhì)，通過經(jīng)驗分析和工程類比確定[7]。當筑壩材料為硬巖堆石料時，目前國內(nèi)外已建和在建的混凝土面板堆石壩的壩坡均在1∶1.3～1∶1.4范圍內(nèi)，毛竹林水庫壩體材料均采用所選的料場的新鮮白云質(zhì)灰?guī)r。大壩上游為混凝土面板，下游面為干砌石護坡，所以該工程上下游壩坡均采用1∶1.4。大壩標準剖面從上游至下游分別為蓋重區(qū)(1B)、鋪蓋區(qū)(1A)，混凝土面板(F)、墊層區(qū)(2A)、過渡區(qū)(3A)、主堆石區(qū)(3B)、次堆石區(qū)(3C)、下游塊石護坡，周邊縫下游側(cè)設(shè)置特殊墊層料層區(qū)(2B)[8]。毛竹林水庫混凝土面板堆石壩最大橫剖面，如圖1所示。

圖1 毛竹林水庫混凝土面板堆石壩最大橫剖面

毛竹林水庫面板堆石壩最大壩高38.50m，修建壩址河谷較寬，覆蓋層較深。根據(jù)DL/T5016—2011、SL228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》，對混凝土面板的技術(shù)質(zhì)量要求較高。設(shè)計采用C25W10F100二級配混凝土，水灰比0.50，塌落度3～7cm。

為適應(yīng)壩體變形，應(yīng)對面板進行分縫，在壩面設(shè)張性垂直縫和壓性垂直縫，與趾板及防浪墻結(jié)合處設(shè)周邊縫，不設(shè)水平施工縫。面板張性垂直縫位于兩壩肩附近，間距5m；面板壓性垂直縫位于河床部分，間距10m。趾板采用趾板面等高線垂直于“X”線布置，厚0.5m。趾板持力層為下寒武統(tǒng)金頂山組的薄至中厚層砂質(zhì)頁巖及粉砂巖，趾板建基面應(yīng)開挖至強風化下部、弱風化巖體上部，并做好防滲加固處理措施[9]。根據(jù)周邊縫三向變形特點，設(shè)頂、底部兩道止水。頂部止水采用8mm厚三元乙丙橡膠復合板，內(nèi)填柔性填料，縫口用氯丁橡膠棒封閉，內(nèi)填12mm厚瀝青杉板，底部止水為F型銅片止水，預(yù)埋在趾板混凝土內(nèi)。墊層料填筑后，在銅片止水下部挖20cm×40cm槽回填瀝青砂漿，上敷平板塑料片，再將止水銅片與塑料片粘結(jié)[10]。止水銅片的中間凹槽內(nèi)嵌設(shè)Ф25mm的氯丁橡膠棒。

4.3 壩體變形計算

毛竹林水庫最大壩高為38.5m，沒有超過100m且地形地質(zhì)條件較簡單，壩體應(yīng)力和變形無需采用有限元計算?？筛鶕?jù)已建壩原型觀測成果按經(jīng)驗方法估算壩體變形。計算結(jié)果表明：施工期沉降量沿壩高呈拋物線分布，h=0.5H處沉降量最大為0.68m，占施工期和蓄水期壩體總沉降量0.762m的89.2%，應(yīng)加強施工期大壩變形監(jiān)測。

4.4 壩基處理

為提高壩基承載能力，趾板基礎(chǔ)需進行固結(jié)灌漿處理，設(shè)計按2排布置，帷幕的上游布置1排、下游布置1排，孔距3m，排距1.5m，孔深5m。壩址區(qū)無可溶巖分布，滲漏形式以淺層裂隙性、溶隙性滲漏及沿斷層破碎帶滲漏為主。為確保水庫的安全運營，須考慮防滲帷幕灌漿處理措施。帷幕下限接地下水位或以鉆孔壓水試驗小于等于5Lu值以下10m為控制下限。防滲帷幕采取單排孔布置，孔距3.0m(斷層破碎帶孔距適當加密)。壩基、壩肩沿趾板布置，兩岸沿壩軸線往山體延伸，并按小于等于5Lu為相對隔水層控制防滲帷幕端點。

5 結(jié)論

毛竹林水庫壩址區(qū)存在較多不利地質(zhì)現(xiàn)象，尤其是河谷窄岸坡陡峭、深覆蓋層壩基持力層較軟、河床順河向斷裂構(gòu)造通過、壩基肩上部巖體透水性強等不利地形地質(zhì)條件組合，因此選擇合理壩型及樞紐布置方案是大壩工程優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。綜合考慮壩址區(qū)地形地質(zhì)、當?shù)靥烊唤ㄖ牧?、施工條件和工程投資等因素，優(yōu)選壩基適應(yīng)性強、填筑施工快且簡單、壩基處理要求不高和工程投資適中的混凝土面板堆石壩壩型及樞紐布置方案，為工程順利施工建設(shè)和供水效益的正常發(fā)揮提供了重要設(shè)計技術(shù)保障。