觀音河水庫擋水壩段建筑物剖面設計

王洪波

(黑龍江大學 建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 基本資料

1.1 庫區(qū)情況

觀音河水庫重力樞紐位于遼寧省本溪市上游地帶，是遼寧省內(nèi)較大型的水利工程項目。該重力樞紐是以興利農(nóng)業(yè)灌溉的同時防洪、發(fā)電、以使該樞紐達到有效解決周邊地區(qū)供水等目的，同時也為日后周邊地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展奠定基礎。根據(jù)有關資料得知該重力樞紐可容納的整體最高庫容量為1.86億m3，并根據(jù)多年經(jīng)驗以及有關資料規(guī)劃設計可得知該重力樞紐的灌溉面積為16 666.67 hm2，而旱田約為8666.67 hm2[1-3]。

1.2 水庫樞紐地質(zhì)概況

該水庫重力樞紐整體巖體構造歸于上升型，河床整體覆蓋層僅為2 m左右，較薄。左岸巖層出露，右岸黏土覆蓋最厚度為5～7 m[4]。地層巖性：壩區(qū)整體走向為向下游南北斜傾，地層的主要組成為砂質(zhì)、粉質(zhì)黏土夾碎石層、卵石層。壩址區(qū)巖性雖僅有花崗巖但整體地況良好，試驗后允許拉應力為28 kg/cm2，混凝土與基礎巖層間摩擦系數(shù)f=0.68。樞紐兩岸沿巖層有所滲漏，巖心裂隙發(fā)育，無破碎帶。

1.3 建筑物級別及洪水標準

根據(jù)《中小型水庫設計》規(guī)定，水庫庫容在1～10億m3的為大(2)型水庫。根據(jù)《水利水電工程基本技術規(guī)定》，屬于Ⅱ等工程。主要建筑物為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。2級主要建筑物的設計洪水為50 a一遇，校核洪水為1000 a一遇；3級次要建筑物的設計洪水為50 a一遇，校核洪水為100 a一遇；4級臨時建筑物4級為20 a一遇設計，50 a一遇校核。

1.4 水庫特性及相應下泄量關系

觀音河水庫特性及相應下泄量見表1。

表1 水庫特性及相應下泄量關系

2 主要設計方案的選擇與論證

2.1 壩型選擇

選取壩型的主要影響因素有庫區(qū)地理形勢條件、庫區(qū)地址條件、樞紐壩型地址概況、庫區(qū)的整體抗震性能、庫區(qū)整體布置、工程所需整體造價、材料價格及運輸費用以及工程建設后的維修與運行。

2.2 壩型比較分析

通過對水庫樞紐的整體地形、地貌條件的分析與論證，我們選用混凝土重力壩、空腔重力壩、漿砌石重力壩這三種重力壩進行比較分析

混凝土重力壩與其他壩型相比，整體工程工藝較為簡便，在同等情況下可以更早的開展工程，大大的減少了工程所需時間。與其他壩型相比，幾乎不需要膠凝材料，并且所選用的重型設備在市面上也極為常見，可大大降低并減少整體工程的造價，節(jié)省成本。

空腔重力壩與其他重力壩相比，其施工情況復雜多變，并且所需的建筑材料用量極為龐大，并且如果需要在空腹處設置水電站廠房，將對周邊城區(qū)產(chǎn)生極大的生活干擾。

漿砌石重力壩。由于該壩型將會過多的消耗龐大的人工精力，大大增加了工期的市場，并且增加了很多人工費用，而且需要設置壩區(qū)整體的防滲裝置，無形之中增加了許多工程造價。

綜上所述，在本次壩型選擇中依據(jù)整體安全性的原則，并參照了樞紐壩型地址概況、庫區(qū)地形地貌地質(zhì)條件、庫區(qū)整體方案布置、抗震性能、工程造價等各種因素、決定選擇混凝土重力壩為整體壩型設計該水庫樞紐工程。

3 擋水壩段建筑物剖面設計

3.1 壩頂高程

根據(jù)資料顯示，波浪壓力主要與波高、波長、以及雍高所構成的波浪三要素和壩前水深有關。

根據(jù)規(guī)范設計，由官廳水庫公式：

(1)

L=10.4(h1)0.8

(2)

(3)

h1%=1.24h5%

(4)

式中：h1是波高，m；V0是計算風速，m/s；D是吹程，km；L是波長，m；hz是波浪中心線高于靜水面產(chǎn)生的雍高，m；h1%為累計頻率為1%時的波浪高度，m；h5%為累計頻率為5%時的波高，m。

壩頂高程需要比校核洪水位高，并且高于壩頂上游防浪墻的高程，也應比波浪頂高要高。如果將防浪墻頂至設計洪水位或校核洪水位的高差Δh，代入式(5)計算：

Δh=h1%+hz+hc

(5)

式中：hc為安全加高，m,安全加高的數(shù)值根據(jù)表2選取。

表2 安全加高 m

防浪墻頂高程就是設計洪水位與Δhs的和，結果為64.943 m；同理防浪墻頂高程是校核洪水位與Δhj的和其結果為65.336 m。因為壩頂上游防浪墻頂高程需用上式計算并且需要選用其中的較大的數(shù)值。因此該水利樞紐的整體壩頂高程取66 m。

3.2 壩頂寬度

由歷年資料來看，壩頂寬度大多數(shù)情況下都選用整體壩高的8%～10%，且不能小于2 m，故將該水利樞紐的壩頂寬度選定為6 m。

3.3 壩體實用剖面

因為重力壩的基本剖面是指該重力壩體在自重、靜水壓力(水位與壩頂齊平)和揚壓力三項主要荷載作用下，滿足穩(wěn)定和強度要求，并使工程量最小的三角形剖面。故在已知壩體高度、整體水壓力、以及抗剪強度系數(shù)和揚壓力的條件下，根據(jù)整體抗滑穩(wěn)定和強度的要求，即可以求得使工程量最小的三角形剖面尺寸。

因為重力壩的基本剖面需要滿足整體壩基強度要求和整體壩基穩(wěn)定要求，在所有情況下要滿足壩體的安全運行，并且需要整體外部情況較簡單，工程所需造價及人工量小，且要易于施工。

根據(jù)多種剖面設計原則后確定整體的重力壩基本剖面如圖1所示。

圖1 重力壩基本剖面圖

3.4 壩體斷面尺寸的確定

根據(jù)多年工程經(jīng)驗積累，在一般情況下，上游壩坡坡率常取n=0～0.2，下游壩坡坡率常取m=0.6～0.8。且壩底寬度常約為壩體高度的0.7～0.9倍，故本設計決定采用上游壩坡坡率n=0.2，做成上部鉛直下部傾向上游；下游壩坡坡率m=0.8；底寬為33.4m。

4 細部構造4.1 防浪墻

(1)為使防浪墻滿足整體水庫樞紐設計的安全保障及正常運行以及參觀等要求，故決定取1.2 m。

(2)因為防浪墻作為抵抗大波大浪以及各種水中漂浮物，包括冬季結冰、極端天氣大風等抗擊，必須具有一定的堅實度及厚度，故選用混凝土為主要材料，取用0.6 m的厚度建造與整體壩區(qū)相連，以用來構成防滲透的堅實墻體。

(3)因防浪墻雖與整體壩區(qū)相連，但需與壩體部分地區(qū)設置分縫，并整體保持一致，且在分縫區(qū)為防止墻體滲漏，需設置止水裝置。

4.2 壩頂構造

為實現(xiàn)該水庫樞紐的工程效益，需在壩頂處取寬度為6 m的路面，并在路面兩側設置1 m的人行道，以供正常使用，為了安全保障，在人行道邊設置圍欄及路燈，并將路面整體設置成弧狀，進而將雨天或特殊情況下的積水及時泄掉。并且為了維護該水庫樞紐的正常運行要求，需在壩頂設置通向內(nèi)部廊道的電梯井，以用來使工程人員快速進出。

4.3 廊道系統(tǒng)

在水庫樞紐內(nèi)設置寬度為3.0 m，高度為4.0 m，高程為31.5 m的基礎型廊道以用來實現(xiàn)該水庫樞紐灌漿、觀測、排水、檢修等日常工作需求。

4.4 縱橫縫構造

根據(jù)該水庫樞紐的地形地貌、整體布置、尺寸數(shù)據(jù)，在參考了混凝土的澆筑能力以及溫度應力和施工條件等前提下，決定沿著壩軸線每間隔20 m處設置一條橫縫，并設置止水。并在間距為15 m處設置一縱縫。

4.5 壩體止水

由于該水庫樞紐設計采用混凝土重力壩，所以在該樞紐的上下游以及溢流壩面都應設置止水裝置，在壩體橫縫內(nèi)設置采用兩道止水片的銅片止水以及塑料片止水以用于改善應力情況，

4.6 壩體排水

為了有效預防及控制壩體發(fā)生滲漏現(xiàn)象，在止水片的下游部分設置直徑為20 cm的排水管，以保證連接無紕漏，維持整體大壩的正常運行。

5 結 語

因為觀音河水庫所處的太子河流域處于易于發(fā)生洪水的暴雨多發(fā)地區(qū)，在建設了該水庫樞紐工程之后，使得周邊地區(qū)災害現(xiàn)象發(fā)生情況大幅度減小，并且促進旅游業(yè)和經(jīng)濟的快速發(fā)展。