探析茍江水庫樞紐工程的大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

蔣芳祥

（貴州省水利水電工程咨詢有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000）

水庫工程中的擋水建筑物，作為水庫樞紐功能的最關(guān)鍵部位，其大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計需符合相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并遵循工程建設(shè)的環(huán)境條件及預(yù)期要求。如此，才可降低大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性，繼而提升工程項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性及整體質(zhì)量。

1 工程概況

茍江水庫位于遵義市播州區(qū)茍江鎮(zhèn)東側(cè)紅山村，處于烏江左岸一級支流魚塘河中上游河段。水庫壩址距離播州區(qū)城區(qū)公路距離約18.5 km，距茍江鎮(zhèn)公路距離約7.6 km，距三岔鎮(zhèn)公路距離約16.8 km，有三岔鎮(zhèn)至茍江鎮(zhèn)迎豐村的鄉(xiāng)村公路通過壩址附近下游，交通條件較好。

茍江水庫的工程任務(wù)為：農(nóng)田灌溉和為茍江經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)提供部分工業(yè)用水。壩址以上流域面積為93.4 km2，校核洪水位861.46 m，總庫容723 萬m3，工程等級為Ⅳ等，工程規(guī)模屬?。?）型。水庫樞紐布置為：堆石混凝土雙曲拱壩+壩身閘門式溢洪道+壩身放空孔+右岸導(dǎo)流洞+輸水管線。最大壩高41.0 m，壩頂高程為862.50 m。溢洪道總凈寬15 m，設(shè)三孔弧形閘門，單孔凈寬5 m，堰頂高程855.00 m。為達(dá)到上述工程形象要求，需加大壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究力度，即在明確建設(shè)使用要求的情況下來提升設(shè)計控制的有效性[1]。

2 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

大壩為堆石混凝土拋物線雙曲拱壩。壩頂高程為862.50 m，壩基開挖高程為821.50 m，最大壩高41.0 m。擬定壩頂寬度4 m，壩底厚11.0 m，厚高比0.29。壩頂拱冠曲率左岸45.45 m，右岸46.03 m，最大中心角95.6°，壩體呈對稱布置，壩體防滲采用C15 二級配自密實(shí)混凝土。壩體除基礎(chǔ)基座、溢流頭部、閘墩、下游消能防沖建筑物等采用常態(tài)混凝土外，其余均為C15 自密實(shí)堆石混凝土；壩體下游溢流面、泄洪孔采用強(qiáng)度等級較高的二級配抗沖耐磨混凝土。

3 茍江水庫中擋水建筑物大壩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 壩頂寬度及止水設(shè)計

壩頂寬度的確定，設(shè)計人員擬定主要考慮混凝土施工的需要和壩頂結(jié)構(gòu)布置、交通要求等，兩岸擋水壩段的壩頂寬度定為4 m；溢流壩段為設(shè)閘泄流，設(shè)弧形閘門、啟閉設(shè)備，因此取橋面總寬度為4.0 m，閘墩長度14.62 m。對于壩體分縫及止水的設(shè)計，設(shè)計人員根據(jù)本工程特點(diǎn)，參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，大壩共設(shè)置6 條橫縫，最大間距27.0 m，最小間距15.0 m。在大壩橫縫上游面、溢流面、下游面最高尾水位以下均布置止水設(shè)施。上游壩面橫縫內(nèi)設(shè)置一道“W”型銅片止水，下游最高尾水位以下縫面設(shè)置一道橡膠止水。

3.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處理設(shè)計

根據(jù)壩高及相關(guān)規(guī)范要求，壩基應(yīng)選擇新鮮、微風(fēng)化或弱風(fēng)化中下部巖體作為持力層。建基面的選擇主要考慮巖體承載力、變形要求。壩基巖體為中硬巖，承載能力滿足大壩要求。根據(jù)勘探資料，岸坡為基巖裸露，河床分布砂、卵、礫石層，厚1 m～3 m，結(jié)構(gòu)松散，不能作為大壩基礎(chǔ)，須開挖清除。基巖為P1m1 厚層塊狀灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化溶蝕帶厚度2 m～3 m，為節(jié)理裂隙發(fā)育密集帶，巖體溶蝕破碎現(xiàn)象較明顯，完整性差，根據(jù)壩基巖體工程地質(zhì)分類劃分為BⅣ1 類，不宜作為壩基肩基礎(chǔ)持力層，建議開挖清除；巖體弱風(fēng)化帶厚度6 m～8 m，裂隙較發(fā)育但閉合性較好，巖體整體完整性較好，根據(jù)壩基巖體工程地質(zhì)分類劃分為BⅢ1類，允許承載力為R0=3.5 MPa，基礎(chǔ)承載力及抗滑力總體滿足設(shè)計要求，壩基肩基礎(chǔ)持力層選擇嵌深至弱風(fēng)化中下部巖體[2]。

3.3 防滲設(shè)計

由于壩址主要分布為中厚層狀灰?guī)r，為中硬巖，巖體無軟弱夾層分布。河床為區(qū)內(nèi)地下水排泄基準(zhǔn)面，防滲底界結(jié)合壩基滲透破壞因素，按0.5 倍壩高考慮，同時以巖體透水率q≤5 Lu為控制標(biāo)準(zhǔn)。河床及兩岸防滲底界嵌深至微風(fēng)化～新鮮巖體，兩岸防滲端點(diǎn)同樣以巖體透水率q≤5 Lu 為控制標(biāo)準(zhǔn)，并嵌深至微風(fēng)化～新鮮巖體。防滲線總長為861 m，其中分為大壩防滲與臨谷滲漏防滲兩部分（大壩防滲長約761 m，臨谷滲漏防滲長約100 m?？偡罎B面積為47982 m2）。對于帷幕設(shè)計布置，以大壩防滲布置為例，①幕0+000.00～幕0+230.00 為左壩肩隧洞帷幕灌漿，方位角為S10°E。②幕0+230.00～幕0+357.05 為大壩段帷幕灌漿。③幕0+357.05～幕0+761.05 為右壩肩隧洞帷幕灌漿，方位角為N31°E。兩端帷幕灌漿洞全長634 m。帷幕灌漿洞采用城門洞型，凈空尺寸3.1 m～3.6 m，隧洞均采用全斷面C25 鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚30 cm，并設(shè)噴錨支護(hù)措施。防滲采取單排帷幕灌漿孔布置，大壩段防滲孔間距為2 m，兩岸平洞段孔間距為3 m，并在鄰谷滲漏段采取雙排孔布置，孔距3 m。

3.4 溫度控制設(shè)計

設(shè)計人員需要明確溫度控制的標(biāo)準(zhǔn)，即根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)特征，將混凝土的物理、力學(xué)、熱學(xué)性能作為設(shè)計控制指標(biāo)。表1、表2 所示結(jié)果是設(shè)計人員遵照設(shè)計規(guī)范并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，擬定的溫差設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[3]。

表1 常態(tài)混凝土基礎(chǔ)容許溫差[△T] 單位：℃

表2 堆石混凝土基礎(chǔ)容許溫差[△T] 單位：℃

值得注意的是，經(jīng)已建相關(guān)工程實(shí)踐證實(shí)，溫控標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)?shù)胤艑?，即將溫度控制?4℃～17℃之間。

3.5 壩體體型設(shè)計

以壩體頂部的高程設(shè)計為例，水庫正常蓄水位為860.00 m，根據(jù)調(diào)洪計算結(jié)果，設(shè)計洪水位為860.03 m，校核洪水位為861.46 m。

根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》（SL282-2003），壩頂防浪墻頂高程=水庫靜水位＋△h，其中△h 為壩頂距水庫靜水位（正常蓄水位或校核洪水位）的高度，△h 由下式確定：

式中：hb為波浪高（m）；hZ為波浪中心線至水庫靜水位高差(m)；hc為安全超高（m），本工程壩的安全級別為4 級，正常蓄水位和校核洪水位下分別取0.4 m 和0.3 m。

hb和hZ按照《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》（SL282-2003）的相關(guān)規(guī)定計算。

壩頂高程計算成果見表3。

表3 壩頂高程計算結(jié)果表

計算壩頂高程為862.13 m，最終確定壩頂高程為862.50 m。

3.6 自密實(shí)堆石混凝土技術(shù)應(yīng)用

該技術(shù)能夠有效減少水泥用量，降低水化熱，從而簡化溫控措施；在保證結(jié)構(gòu)體質(zhì)量的情況下塊石填充率能達(dá)到50%以上，從而達(dá)到最大限度使用當(dāng)?shù)夭牧?，降低投資的目的；通過自密實(shí)混凝土的流動替代常規(guī)的混凝土振搗技術(shù)，并簡化鑿毛工序，最終，便于連續(xù)施工，顯著提高工效，縮短工期。目前，自密實(shí)堆石混凝土技術(shù)有兩種施工方法，即普通型堆石混凝土適合大倉面混凝土施工與拋石型堆石混凝土適合深度較大倉面的混凝土施工。前者，適用于混凝土重力壩、拱壩壩體；各種基礎(chǔ)回填，混凝土換基部位；尾水區(qū)消力池、海漫、護(hù)坦、邊墻等構(gòu)筑物；混凝土圍堰；各種堤防工程；各種擋土墻工程。而后者，則適用于沉井回填；抗滑樁回填；高邊墻、擋墻等部位[4]。如圖1 所示，為自密實(shí)堆石混凝土技術(shù)運(yùn)用示意圖。

圖1 自密實(shí)堆石混凝土技術(shù)

4 結(jié)束語

綜上所述，需將結(jié)構(gòu)處理設(shè)計、防滲設(shè)計以及溫度控制設(shè)計，作為本工程優(yōu)化控制的重點(diǎn)，以滿足水庫擋水建筑物建設(shè)所提出的預(yù)期要求。事實(shí)證明，只有與工程項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行充分結(jié)合，才能在明確大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，提高大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理、科學(xué)性。設(shè)計人員應(yīng)將上述分析內(nèi)容與科研結(jié)果更多地應(yīng)用于不同施工環(huán)境與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的水庫工程，進(jìn)而服務(wù)于所處地區(qū)的水利工程建設(shè)[5]。