丹竹水庫攔河大壩壩型比選及設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

胡德保，查恩堯

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州510220）

1 工程概況

丹竹水庫為新建水庫樞紐工程，位于廣西岑溪市岑城鎮(zhèn)思孟村丹竹嶺頭附近，距離岑溪市城區(qū)4km。該水庫由大壩、溢洪道、輸水隧洞、輸水管線等組成。大壩壩址處控制集雨面積43.13km2，多年平均流量0.93m3/s。設(shè)計(jì)水庫校核洪水位149.49m，總庫容396萬m3，正常蓄水位148.00m，興利庫容305萬m3。工程及建筑物級(jí)別如表1。

表1 丹竹水庫工程等別、建筑物級(jí)別

2 壩型方案比選

丹竹水庫選定壩址河床寬30～70m，河床高程112.23～111.60m，兩岸山頂高程180.5～203.5m，壩線與河道斜交，交角30°，河床寬30m，左岸坡度1°～40°，右岸坡度30°～40°，兩岸風(fēng)化較深，覆蓋層較厚，無不良地質(zhì)作用，具備建壩基本條件。

2.1 壩型初步篩選

根據(jù)選定壩址地形、地質(zhì)條件，首先排除拱壩壩型；壩址附近（10km以內(nèi)）難以找到石料場，因此排除面板堆石壩。下面重點(diǎn)考慮土壩和重力壩兩種壩型。

2.1.1 均質(zhì)土壩

土壩對(duì)基礎(chǔ)要求不高，河底河卵石層厚2m，可開挖清除。壩址上游處有1座小沖溝，可布置排洪道。此外，通過地質(zhì)勘探得知壩址附近巖石風(fēng)化較深，土料儲(chǔ)量豐富，運(yùn)距近，可降低工程造價(jià)。另外，由于壩址附近缺乏黏土，應(yīng)排除黏土心墻壩和黏土斜墻壩，因此，土壩壩型按均質(zhì)土壩來考慮。

2.1.2 重力壩

重力壩對(duì)基礎(chǔ)地質(zhì)要求遠(yuǎn)比土壩高，按正常蓄水位148m考慮，其最大壩高已超過40m，壩址處強(qiáng)風(fēng)化云母片巖承載力特征值0.6MPa，不能滿足應(yīng)力要求，必須挖至弱風(fēng)化層［1］。此時(shí)，重力壩最大壩高將達(dá)到50m，壩頂長250m，混凝土方量30萬m3。若采用漿砌石雖可降低造價(jià)，但施工進(jìn)度較慢，且質(zhì)量難以控制。因此，重力壩壩型按埋石混凝土（埋石率20%）重力壩來考慮。

2.2 壩型初步設(shè)計(jì)和比選

2.2.1 方案1（均質(zhì)土壩初步設(shè)計(jì)）

若丹竹水庫采用均質(zhì)土壩，設(shè)計(jì)最大壩高42.50m，壩頂長222.0m，壩頂寬7.00m。大壩上、下游壩坡均由上而下分兩級(jí)，坡比分別為1∶2.5，1∶2.75。下游壩腳設(shè)置堆石排水棱體，排水棱體長217m，頂寬3.0m，頂高程122.00m，內(nèi)外坡坡比均1∶1.5。溢洪道布置于大壩左岸開挖的山體，輸水隧洞布置在大壩右岸山體內(nèi)［2］。

2.2.2 方案2（埋石混凝土重力壩初步設(shè)計(jì)）

為避免洪水淹沒庫區(qū)左岸高速公路，設(shè)計(jì)丹竹水庫重力壩按閘壩方式布置。中間設(shè)置溢流段，溢流段堰頂布置工作閘門3扇、檢修閘門1扇，閘孔尺寸10 m×5m，溢流凈寬共30.0m。初擬閘底高程143.0m，閘頂高程148.5m，閘壩正常蓄水位148.0m。閘壩段上部設(shè)工作橋、啟閉排架。左、右壩段擬采用埋石混凝土重力壩接入兩岸山體［3］。

綜合對(duì)比結(jié)果如下： ①方案1比方案2總投資省6195.9萬元；②均質(zhì)土壩能充分就地取材，工期短；③方案1在施工期間對(duì)周邊環(huán)境及農(nóng)田作物影響小。最終，經(jīng)過比較后選用均質(zhì)土壩作為丹竹水庫大壩施工方案。

3 大壩設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 壩頂高程復(fù)核

壩頂超高按式（1）計(jì)算［4］，通過計(jì)算最終取丹竹水庫均質(zhì)土壩壩頂高程150.50m，防浪墻頂高程151.00m。

式中 Y為壩頂超高；R為平均波浪爬高（m），采用累積頻率5%；A為安全加高，設(shè)計(jì)水位取0.5m，校核水位取0.3m；k1為斜坡的糙率滲透性系數(shù)，取值0.8；k2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Hm為水域平均深度（m）；Lm為平均波長（m）；m為單坡坡度系數(shù)，取2.5。

設(shè)計(jì)水位和校核水下的水庫壩頂高程計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 丹竹水庫壩頂高程 單位：m

3.2 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 壩體主體填筑設(shè)計(jì)

3.2.1.1 填筑材料設(shè)計(jì)

丹竹水庫大壩設(shè)計(jì)填筑材料為黏土質(zhì)砂，黏粒含量范圍6.8%～8.2%，內(nèi)摩擦角＞23°，凝聚力C值＞15kPa，滲透系數(shù)0.6～1.0×10-4cm/s（碾壓后），有機(jī)質(zhì)含量＜5%。壩體填筑土塑性指數(shù)7～17，水溶鹽含量＜3%，最佳含水量設(shè)計(jì)8%，pH＞7，碾壓后壓實(shí)度≥96%［5］。

3.2.1.2 填筑施工設(shè)計(jì)

均質(zhì)土壩施工簡單，丹竹水庫壩體填筑設(shè)計(jì)全部采用機(jī)械化施工，利用20t自卸汽車運(yùn)料，用推土機(jī)推平，設(shè)計(jì)分層填筑，每層厚度不得超過500mm。按設(shè)計(jì)壓實(shí)度選用16t振動(dòng)碾分層碾壓密實(shí)，局部用打夯機(jī)及人工夯實(shí)。

3.2.2 壩頂和護(hù)坡設(shè)計(jì)

3.2.2.1 壩頂設(shè)計(jì)

上游壩頂設(shè)C20混凝土防浪墻，墻高0.50m、寬0.40m；設(shè)計(jì)在壩頂鋪設(shè)泥結(jié)石路面，厚度20cm，基層為級(jí)配碎石厚度20cm，路面設(shè)計(jì)2.5%橫向坡，向下游側(cè)放坡。下游側(cè)路肩采用C20混凝土路肩，斷面尺寸50cm×80cm（寬×高），護(hù)肩頂部與壩頂高程持平。

3.2.2.2 護(hù)坡設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)迎水面壩坡采用干砌石護(hù)坡，護(hù)坡高程自壩腳護(hù)至壩頂。變坡高程137.00m，在此處設(shè)計(jì)2m寬馬道，在馬道設(shè)計(jì)C15混凝土防滑齒墻1道，齒墻寬1m，高1.50m。按設(shè)計(jì)坡度修整壩坡后先鋪筑砂墊層厚300d（d=0.5~5mm），后鋪筑碎石墊層厚200d（d=5~20mm），再砌筑35cm厚干砌石護(hù)坡［6］。

下游坡變坡高程137.00m，同樣設(shè)計(jì)寬2.0m馬道1條。在馬道內(nèi)側(cè)設(shè)M7.5漿砌石排水溝，壩頂與排水棱體頂?shù)慕煌ㄓ?m寬步級(jí)連接，下游壩坡設(shè)草皮護(hù)坡。下游壩腳設(shè)置堆石排水棱體，長217m，頂寬3.0m，內(nèi)外坡坡比均1：1.5。排水棱體采用干砌塊石堆筑而成，棱體頂部采用C20混凝土壓頂，厚15cm，棱體底部及干砌石與壩坡間做反濾層，反濾層厚0.6m，由3層粒徑不同的砂石料鋪筑而成，沿滲流方向砂石料粒徑由小逐漸加大。在壩坡、壩腳設(shè)排水溝，并分別在左、右壩坡集水溝、下游坡腳集滲溝內(nèi)設(shè)三角形量水堰，觀測大壩滲流量。大壩結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 大壩結(jié)構(gòu)示意

4 壩體滲流及抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)證

4.1 壩體滲流穩(wěn)定性計(jì)算

本工程根據(jù)地質(zhì)勘探，大壩按不透水地基上均質(zhì)土壩模型進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)采用“滲流有限元法”軟件進(jìn)行滲流計(jì)算。計(jì)算工況水位包括：①正常工況：上游水位148.00m，下游水位110.00m；②設(shè)計(jì)工況：上游水位148.48m，下游水位110.44m；③校核工況：上游水位149.49m，下游水位110.66m；④水位驟降工況：水位從149.49m驟降至143.00m。

4.1.1 臨界坡降計(jì)算

本工程土體的滲透臨界流土坡降計(jì)算如式（2）。

式中 Jc為滲透臨界流土坡降；Gs為土粒比重；γ為水的容重；n為填土孔隙率；K為安全系數(shù)，取值2。

4.1.2 滲流計(jì)算成果分析

本工程大壩在正常蓄水位工況下的浸潤線如圖2（其他工況圖省略），計(jì)算成果如表3。

圖2 大壩滲流計(jì)算成果（正常蓄水位）

表3 丹竹水庫大壩滲流計(jì)算成果

根據(jù)大壩剖面流網(wǎng)形態(tài)分析，在正常、設(shè)計(jì)、校核及水位驟降工況下，大壩的計(jì)算浸潤線均從下游排水棱體逸出，對(duì)壩坡穩(wěn)定有利。從大壩的滲透坡降值看，當(dāng)庫水位在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位及水位驟降時(shí)，大壩計(jì)算斷面壩體滲透坡降分別為0.303，0.388，0.432，0.432，均小于臨界流土坡降值0.47，說明大壩不會(huì)發(fā)生流土破壞，滲流穩(wěn)定性滿足要求。

4.2 壩體抗滑穩(wěn)定性分析計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，丹竹水庫大壩屬4級(jí)建筑物，在正常運(yùn)用條件下壩坡抗滑安全系數(shù)不得小于1.25；在非常運(yùn)用條件Ⅰ下，壩坡抗滑安全系數(shù)不得小于1.15；在非常運(yùn)用條件Ⅱ下，壩坡抗滑安全系數(shù)不得小于1.10。

本項(xiàng)目采用計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法計(jì)算抗滑安全系數(shù)K，具體如式（3），計(jì)算結(jié)果如表4。

式中 W為土條重量；u為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b為土條寬度；с′，φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；ρ為土的實(shí)際加權(quán)平均密度；h為土條高度。

K值計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表4可知，丹竹水庫大壩上游壩坡K值范圍在1.47～1.63，下游壩坡K值范圍1.26～1.55，均大于標(biāo)準(zhǔn)值，因此壩體抗滑穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語

經(jīng)上述分析，確定丹竹水庫大壩的具體壩型及基本結(jié)構(gòu)，通過軟件模擬、公式驗(yàn)算等分析說明壩體的滲流穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，其大壩投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。