環(huán)城水庫高壩趾板建在深厚強(qiáng)風(fēng)化層設(shè)計(jì)方案的研究

(貴州水投水務(wù)集團(tuán)公司，貴州 貴陽 550002)

根據(jù)《納雍縣國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》，“十三五”期間，將納雍縣產(chǎn)業(yè)園區(qū)建成以煤化工、集食品和藥品加工為一體的綜合性經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。現(xiàn)有水源已無法滿足未來工業(yè)快速發(fā)展對水資源的需求。因此，新建環(huán)城水庫來解決納雍縣產(chǎn)業(yè)園區(qū)的需水是急如星火的，工程必要性非常強(qiáng)。攔河大壩為混凝土面壩堆石壩，最大壩高91.5 m趾板基礎(chǔ)開挖至強(qiáng)風(fēng)化巖體下部～弱風(fēng)化巖體上部，解決趾板布置問題是關(guān)鍵。

1 工程概況

1.1 工程簡介

納雍縣位于貴州省西北部，畢節(jié)地區(qū)南部，云貴高原中段。地處東經(jīng)104°55＇40＂至105°38＇04＂，北緯26°30＇16＂至27°05＇54＂。環(huán)城水庫位于納雍縣城東北面的后河上，后河屬六沖河一級(jí)支流。環(huán)城水庫壩址以上集水面積169 km2(不含伏流C)，含伏流C的計(jì)算面積為212.8 km2，主河道河長24.4 km，平均比降27.1‰。

環(huán)城水庫工程建設(shè)任務(wù)以工業(yè)供水(納雍縣煤電一體化產(chǎn)業(yè)基地)和農(nóng)田灌溉為主，兼顧發(fā)電。工程建成后，可向納雍縣煤電一體化產(chǎn)業(yè)基地供水，P=95%毛供水量為2 507萬 m3/a；工程灌溉面積1 750畝(自流灌溉)，P=80%灌溉用水量為37.3萬 m3/a；工程下放環(huán)境水量1 915萬 m3/a。

水庫正常蓄水位1 308 m，相應(yīng)庫容1 434萬 m3，死水位1 386 m，死庫容514萬 m3。設(shè)計(jì)洪水位1 310.19 m(P=1%)，設(shè)計(jì)洪水下泄流量917 m3/s，相應(yīng)下游水位1 241.49 m。校核洪水位1 311.12 m(P=0.05%)，總庫容1 542萬 m3。

1.2 地形、地質(zhì)條件

根據(jù)可選河段地形條件，在楊家河與卡拉河匯口下游，魚洞暗河出口上游約350 m處選擇壩址、與魚洞暗河出口下游約200 m選擇壩址進(jìn)行初步比選。經(jīng)水庫移民專業(yè)初步比選，下壩址因淹沒坡腳溝中的加油站、水泥廠等建筑物，以及對納雍縣污水處理廠和蔡家灣集中村寨造成一定的影響，淹沒損失大，給予放棄，壩址具有唯一性。

1.2.1 地質(zhì)概況

1)地形地貌：所選壩址為河床轉(zhuǎn)彎處，左岸為環(huán)島狀地形，地形破碎，右岸受卡拉河及下游坡腳溝切割，地形不完整。為不對稱“V”型河谷，河床寬50～70 m，河底高程1 239.5～1 240.6 m，河水深0.4～1.2 m。左岸地形坡度36°，基巖裸露，岸坡多為灌木；右岸1 305 m以下為陡壁，1 305 m以上地形坡度42°，基巖裸露。

2)地層巖性：壩段主要出露地層為二疊系上統(tǒng)峨嵋山玄武巖(P2β)和下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r，在右岸1 245 m茅口組(P1m)灰?guī)r中夾一層βμ43輝綠侵入巖，βμ43輝綠侵入巖厚約30 m。

3)地質(zhì)構(gòu)造：區(qū)域性的F1斷層從右壩肩1 252 m高程通過，受斷層影響，兩側(cè)巖體褶皺發(fā)育，巖性差異大，左側(cè)為峨嵋山玄武巖(P2β)，右側(cè)為茅口組(P1m)灰?guī)r，斷層破碎帶寬0.3～0.8 m，斷層角礫充填，為逆斷層。

1.2.2 工程地質(zhì)條件及初評(píng)

壩址左岸出露地層為峨嵋山玄武巖(P2β)，巖體風(fēng)化深厚，強(qiáng)風(fēng)化厚深15～22 m(法向)；河床據(jù)鉆孔資料，覆蓋層厚7.8～10.1 m，強(qiáng)風(fēng)化厚5.0～9.0 m；右岸基巖裸露，出露地層為茅口組(P1m)灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化厚深4～6 m(法向)。區(qū)域性斷層F1從河床右岸通過，受其影響，兩側(cè)巖體褶皺發(fā)育，巖體較破碎，巖體質(zhì)量較差，其中左岸弱風(fēng)化峨嵋山玄武巖(P2β)屬BⅢ類巖體，左側(cè)弱風(fēng)化茅口組(P1m)灰?guī)r屬BⅢ類，F(xiàn)1斷層破碎帶及強(qiáng)風(fēng)化巖體屬CⅤ類巖體。

根據(jù)壩址地形地貌、地層結(jié)構(gòu)及巖體力學(xué)性質(zhì)等分析，壩址巖體復(fù)雜多樣，風(fēng)化深厚，較適宜修建對地基要求不高的面板堆石壩壩型。

2 方案設(shè)計(jì)研究

2.1 壩型比選

從地形地質(zhì)條件分析：壩基巖性不均一，巖性及物理力學(xué)參數(shù)有一定差異，致使壩基巖體較復(fù)雜，樞紐布置須考慮壩基巖體差異的影響；兩岸坡基巖風(fēng)化厚度較大且差異較大，壩基受F1斷層影響，裂隙較發(fā)育，屬不均勻地基，將存在不均勻變形問題，推薦混凝土面板堆石壩方案。

從工程布置分析：混凝土面板堆石壩方案對基礎(chǔ)要求相對較低，基礎(chǔ)處理工作量相對較小；溢洪道布置于左岸，有一定開挖量；發(fā)電、取水、放空采用“合三為一”的布置方案，布置也較為緊湊。

從工程施工分析：其壩址河谷開闊，面板堆石壩方案可便于大型機(jī)械化施工，壩區(qū)有豐富的土石料，可就地取材，受夏季氣候影響較小。施工工期上，面板堆石壩方案要45個(gè)月，重力壩方案總工期為50個(gè)月；混凝面板堆石壩方案較重力壩方案在施工及工期上有優(yōu)勢。

綜上分析，兩個(gè)方案在技術(shù)上均可行，經(jīng)濟(jì)上面板壩方案明顯較重力壩方案優(yōu)。因此，推薦面板堆石壩方案為本階段的推薦壩型。

2.2 工程布置

經(jīng)過對壩址、壩型、樞紐布置、輸水工程布置及各建筑物型式比較后，本階段推薦壩型為混凝土面板堆石壩的工程方案。

環(huán)城水庫工程由水源樞紐工程、工業(yè)園區(qū)供水工程、灌區(qū)工程三部分組成。

2.3 樞紐建筑物的設(shè)計(jì)

水源樞紐工程由混凝土面板壩、左岸敞式不設(shè)閘溢洪道，左岸導(dǎo)流系統(tǒng)、左岸發(fā)電取水系統(tǒng)、電站廠房、壩后永久上壩公路等組成。面板堆石壩方案平面布置圖如圖1。

圖1 面板堆石壩方案平面布置圖

面板堆石壩布置于卡拉河與楊家河匯口下游20 m處。大壩防浪墻頂高程1 313.70 m，壩頂高程1 312.50 m，壩頂寬7 m，壩頂長247 m。河床段建基面高程為1 221.00 m，最大壩高91.5 m。大壩上游壩坡為1∶1.405，下游壩坡為1:1.25，壩底最大寬度219.85 m。壩體采用鋼筋混凝土面板防滲，面板厚度為t=0.3+0.003 5H(m)，趾板是布置在面板周邊，趾板厚度0.3～0.62 m，趾板寬度6.0 m。面板下游分設(shè)墊層區(qū)和過渡區(qū)，過渡區(qū)后為大壩主堆石區(qū)， 1 300.13 m高程以下為下游堆石區(qū)，下游堆石區(qū)與主堆石區(qū)以1∶0.5坡相接。為封堵面板可能出現(xiàn)的裂縫以及周邊縫缺陷，在面板上游壩側(cè)1 275.0 m高程以下設(shè)置粘土鋪蓋區(qū)，鋪蓋頂部水平厚度3.0 m，上游坡1:1.5，下游面緊貼面板與趾板。為保護(hù)粘土鋪蓋區(qū)，在鋪蓋上游面設(shè)蓋重區(qū)，蓋重區(qū)頂部水平厚度3.0 m，上游坡1:2.0。本工程壩高達(dá)91.5 m，屬高壩，考慮到更好的填筑施工，結(jié)合施工要求，在壩后布置上壩公路，壩后公路坡比為10%，上游砼面板采用變厚面板，上游壩坡為1:1.405，下游壩坡結(jié)合下游壩后公路的設(shè)置確定為局部即兩層路面之間坡度1:1.25(圖2)。

2.4 趾板布置

趾板布置受到地形地質(zhì)的影響，左岸遇到高邊坡，拐點(diǎn)較為突出，右岸相對平順。

趾板布置型式采用平趾板方式布置，按照規(guī)范要求，高壩趾板建基面宜開挖到弱風(fēng)化層上部，如因地形地質(zhì)條件限制，趾板建于風(fēng)化破碎層時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)加固處理措施，本工程趾板布置于二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖(P2β)灰?guī)r上，由于玄武巖風(fēng)化層比較深，如果河床以及兩壩肩趾板要坐落在強(qiáng)風(fēng)化下部至弱風(fēng)化上部巖石，會(huì)導(dǎo)致工程不經(jīng)濟(jì)，為節(jié)省工程，本工程趾板基礎(chǔ)考慮坐落在強(qiáng)風(fēng)化中下部基巖。

圖2 壩體典型斷面設(shè)計(jì)圖

2.5 趾板設(shè)計(jì)

本工程最大壩高91.5 m，屬于高壩，對趾板基礎(chǔ)要求相對嚴(yán)格，考慮河床段后期施工條件，考慮到不增大趾板工程量以及深挖量，趾板采用C25混凝土，設(shè)計(jì)趾板寬度為6.0 m，但結(jié)合地質(zhì)情況，趾板基礎(chǔ)坐落強(qiáng)風(fēng)化巖層，設(shè)計(jì)寬度6 m不滿足水利梯度的要求，為了工程經(jīng)濟(jì)性，又需延長滲徑，減少壩基滲漏，河床段趾板下游采用與趾板同等厚度的連接板，長10 m。河床段趾板后基礎(chǔ)采用掛網(wǎng)噴0.10 m厚以滿足規(guī)范要求。

趾板厚度為0.6 m。為承受混凝土干縮和溫度應(yīng)力，趾板表面設(shè)一層雙向鋼筋，間距為20 cm，直徑為Φ20，每向含筋率0.4%。

2.6 趾板基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

趾板用Φ25錨筋(單根長4.5 m)插入基巖，錨筋間距2.0 m、排距2.0 m。趾板混凝土要求與面板相同，混凝土等級(jí)為C25，趾板總長378.51 m，在轉(zhuǎn)折處或較長段趾板中部設(shè)伸縮縫，共分成6塊。

在趾板與基巖連接部位，為了提高趾板基礎(chǔ)的整體性，提高抗沖蝕能力，需進(jìn)行固結(jié)灌漿，充填基礎(chǔ)中的張開裂縫，并回填混凝土。固結(jié)灌漿孔共兩排，孔距2 m，排距2 m，梅花型布置，孔深8 m。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

混凝土面板堆石壩壩坡根據(jù)《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(L228-98)第5.3.1條并參照已建工程選用，一般可不進(jìn)行穩(wěn)定分析。已建工程的壩坡多為1:1.3～1:1.4，本工程壩體上游壩坡為1:1.4，下游平均壩坡為1:1.556，可不進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。

趾板厚度0.6 m，未超過2 m厚度，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，可不進(jìn)行趾板穩(wěn)定分析計(jì)算。

4 結(jié)語

經(jīng)過綜合經(jīng)濟(jì)比選，將高壩趾板地基坐落于深厚風(fēng)化層，難以開挖到弱風(fēng)化巖層，需要采取工程處理措施以滿足趾板抗?jié)B要求，河床段趾板下游采用與趾板同等厚度的連接板，長10 m。河床段趾板下游基礎(chǔ)采用掛網(wǎng)噴0.10 m厚處理之后滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，經(jīng)濟(jì)性較好。