出山店水庫混凝土重力壩設(shè)計

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概況

出山店水庫位于淮河干流上河南省信陽市出山店村，工程建設(shè)任務(wù)是以防洪為主，同時結(jié)合供水、灌溉功能且兼顧發(fā)電等，水庫控制流域面積2900km2，總庫容12.51 億m3。水庫完工投入使用后，可有效攔蓄調(diào)節(jié)上游山區(qū)洪水，削減干流息縣、淮濱的洪峰流量，與后期擬建的張灣、袁灣、晏河水庫等南岸支流水庫聯(lián)合運行，可有效提高水庫下游保護(hù)區(qū)及王家壩以上圩區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，使淮河中游防洪壓力大大減小，工程還可以為下游50 萬畝農(nóng)田灌溉提供水源，同時為信陽市提供工業(yè)和生活用水。

2 工程總體布置

出山店水庫混凝土重力壩段長429.57m，最大壩高40.6m，由連接壩段、表孔壩段、底孔壩段、電站壩段和非溢流壩段組成。

2.1 連接壩段

混凝土壩段1#～4#壩段為連接段，總長80.0m，左側(cè)連接土壩段，右側(cè)連接溢流壩段?；炷链虊ν獍惩列膲?，心墻外為砂殼上游坡采用0.28m 厚混凝土預(yù)制連鎖砌塊護(hù)坡。上游坡在平面上采用圓弧裹頭型式側(cè)墻相接。上游側(cè)墻采用半重力式結(jié)構(gòu)型式，下游坡采用0.1m 厚預(yù)制砌塊護(hù)坡。插入刺墻分半插入段與全插入段，全插入段長20.0m。

2.2 表底孔壩段

混凝土壩段5#～13#壩段為溢流壩段，總長為150.5m，壩頂高程為100.40m，溢流表孔為開敞式結(jié)構(gòu)，凈寬15.0m，堰頂高程為83.0m，閘墩順?biāo)飨蜷L33.0m。堰面曲線上游段采用三圓弧曲線。溢流表孔經(jīng)論證采用底流式消能、尾坎式消力池。14#～15#壩段為泄流底孔壩段，總長40.00m，位于溢流表孔壩段右側(cè)，壩頂高程100.40m，壩基最大寬度48.60m，壩體迎水面為鉛直面，底孔底板高程75.00m，孔口寬度7.0m，高度7.0m，共3 孔，中墩厚4.0m，縫墩及左側(cè)邊墩厚3.0m，右側(cè)邊墩厚6.0m。進(jìn)口采用有壓短管，喇叭口型式，進(jìn)口上緣及兩側(cè)均采用橢圓曲線。從上游至下游為進(jìn)口段、門槽段、壓坡段、明流段。泄流底孔采用底流消能型式、尾坎式消力池。

2.3 電站壩段

混凝土壩16#壩段為電站壩段，壩段長度25.0m，壩頂高程為100.40m，基礎(chǔ)開挖高程為65.00m，最大壩高35.4m，壩基最大寬度33.6m，壩段上游面垂直，壩頂寬12.00m，向上游伸出2.50m布置檢修便橋，向下游以橋墩型式伸出布置交通橋，下游面以1︰0.75 斜坡段連接至82.00m 電站主廠房平臺，副廠房布置在主廠房下游側(cè)尾水平臺上。壓力管道采用壩身埋管布置型式，且采用單機(jī)單管供水，3 條壓力管道平行布置，從進(jìn)水口到壩后廠房。

2.4 非溢流壩段

混凝土壩17#～23#壩段為非溢流壩段，總長為134.07m。壩頂高程為100.40m，寬8.0m。17#～19#壩段開挖基面高程為65.0m，壩基面順?biāo)飨蜷L27.78m，上游面垂直，下游面坡度為1︰0.75。壩頂上游側(cè)設(shè)擋浪墻，下游設(shè)欄桿。

3 工程設(shè)計的難點與重點

出山店水庫混凝土重力壩基礎(chǔ)條件復(fù)雜、各專業(yè)交叉頻繁、建設(shè)期長、時間緊。在設(shè)計和建設(shè)期間遇到大量的難題需要攻關(guān)解決，總體而言主要難點、重點問題有三個：一是大體積混凝土溫控控制問題；二是低水頭、低佛勞得數(shù)消能防沖問題；三是緩傾角斷層處理問題。

3.1 大體積混凝土溫度控制

出山店水庫重力壩表孔溢流壩段邊墩厚3.0m，中墩厚3.5m，順?biāo)飨蜷L度31.0m，堰頂至墩頂高17.4m。閘墩采用的混凝土型號C30W4F150 和C35W4F150，出山店水庫位于河南省信陽市，由于當(dāng)?shù)卮杭救掌骄鶜鉁夭粩嗌仙?，同時早晚溫差較大，若不采取有效的溫控措施，此時澆筑大體積、高標(biāo)號混凝土，壩體混凝土內(nèi)部最高溫、最大溫升及溫度梯度等溫度指標(biāo)將急劇上升，壩體混凝土的溫度應(yīng)力將大于其抗拉強(qiáng)度，最終混凝土將產(chǎn)生裂縫。因此在閘墩澆筑時必須采取有效的溫度控制措施。

本次對閘墩結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行研究計算，選取其典型9#表孔壩段建立有限元整體模型網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)77756，單元數(shù)70888。在設(shè)定溫度邊界時壩體橫縫面、壩基礎(chǔ)底面及四周均為絕熱邊界，其他面則為熱量交換邊界。在計算應(yīng)力時，假定基礎(chǔ)底面為鉸支座，四周為連桿支撐，上部結(jié)構(gòu)均自由。同時由于計算規(guī)模和時間限制且溫度應(yīng)力主要發(fā)生在溫度變化激烈部位及其周圍，取計算域基礎(chǔ)在壩體向外擴(kuò)展范圍為：基礎(chǔ)上、下游各取60m，垂直水流方向各取25m，地基深度取70m。表孔壩段從2016年11月份開始澆筑蓋重層混凝土，按照新的澆筑進(jìn)度計劃，2017年5月份之前澆筑到壩頂，從6月1日到9月30日為汛期，混凝土表面過水，后一年水庫開始蓄水，仿真計算一直模擬到蓄水后約10年時間。

考慮該工程的實際情況并結(jié)合以往類似工程的經(jīng)驗，在仿真計算結(jié)果和溫控指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，提出了如下溫控建議：（1）采用間距1.0m×1.0m 的水管，在高程89～100.4m 的閘墩中采用河水進(jìn)行冷卻，通水時間長度為10～20d，溫度峰值后的溫降速率不快于2℃/d，有效控制了溫升；（2）表面保溫，鋼模板外貼5cm 厚聚乙烯苯板，拆模后立即覆蓋聚乙烯卷材，覆蓋時長不少于28d。間歇期倉面的覆蓋材料為2.0cm 厚大壩保溫被，倉面要盡早覆蓋，盡晚掀開。溫降在15℃左右的寒潮，覆蓋4.0cm 厚的保溫被，溫降在20℃左右的寒潮，覆蓋6.0cm 厚大壩保溫被。

經(jīng)過仿真計算，施工期采用“內(nèi)降外?！笨偞胧?，合理設(shè)置混凝土冷卻水管的同時控制澆筑出機(jī)口溫度，制定科學(xué)有序的拆模和保溫工序，提高了混凝土澆筑效率，經(jīng)外觀閘墩混凝土質(zhì)量檢查，未產(chǎn)生裂縫。

3.2 低水頭、低佛式數(shù)消能

出山店水庫溢流表孔單寬流量大、水頭低、流速大且佛勞得數(shù)低，消能率僅為20%～40%，本工程在前期采用T 型墩+梯形墩消能的基礎(chǔ)上增設(shè)了寬尾墩消能設(shè)施，有效提高了消能效率。出山店水庫寬尾墩取B=9m、L=6.5m，由此確定寬尾墩收縮角θ=25°。為了分析聯(lián)合消能工的方案消能效果，進(jìn)行百年一遇、千年一遇、萬年一遇三種工況下水工模型試驗。由于增加了寬尾墩，下泄水流受到尾部寬尾墩的水平束窄，大幅增加了射流的厚度，使水流沿水深方向得到顯著擴(kuò)散。

由于尾墩加寬后，閘室沿程寬度變小，加寬后的墩尾將經(jīng)溢流面入池的水舌分成兩部分，閘室中部水舌仍為底流，而兩側(cè)水舌經(jīng)寬尾墩挑坎形成挑流，由于兩者聯(lián)合作用水躍穩(wěn)定。同時增加了水流的紊動作用，使得入池水流形成三軸漩滾，造成了水流的大量摻氣，這是由于改變了自由水躍的水流結(jié)構(gòu)。在模型試驗中呈現(xiàn)出氣水混合的乳白色狀態(tài)，通過摻氣和水流強(qiáng)烈的紊動摻混消除了水的動能，消能效果良好。

寬尾墩下泄的水流在進(jìn)入消力池后，摩擦和沖刷仍然比較劇烈，在水流入池后，垂直水流方向上向兩側(cè)擴(kuò)散，水流沖撞兩側(cè)邊墻并回流在中部相遇繼續(xù)沖撞翻滾，繼續(xù)消耗一部分能量。水流經(jīng)過T型墩的調(diào)整后穩(wěn)定流入下游河道，在尾坎處二次水躍有所減弱。

經(jīng)過模型試驗驗證，最終設(shè)計采用非完整寬尾墩+T 型墩+梯形墩聯(lián)合消能工模式，得出的結(jié)論如下：（1）加寬尾墩后在三種典型工況下出池流速均有減小，降幅在0.6～2.0m/s，且大多下降在1.0m/s 以上，說明寬尾墩聯(lián)合消能工有效降低了流速和沖刷。（2）聯(lián)合消能工的運用在三種典型工況水位下使得消能率分別有所提升，說明寬尾墩的運用有效地增強(qiáng)了本工程溢流壩消能防沖效果。在2019年、2020年兩個汛期泄洪后，下游河床和岸坡經(jīng)檢查，無明顯沖刷痕跡，說明了非完整寬尾墩+T 型墩+梯形墩聯(lián)合消能工模式這種消能防沖設(shè)計的安全性、合理性、科學(xué)性。

3.3 緩傾角斷層處理

出山店水庫重力壩坐落于花崗巖上，為中粗粒黑云母質(zhì)，本區(qū)域花崗巖經(jīng)歷了加里東、喜山期等地質(zhì)運動。其斷裂構(gòu)造主要為壓扭性、扭性為主，型式為“λ”型，表底孔壩段建基面位于弱風(fēng)化巖下部。重力壩最大壩高40.6m，其中表孔7#、8#壩段位于弱風(fēng)化基巖的下部，可研階段勘察發(fā)現(xiàn)F34斷層周圍強(qiáng)風(fēng)化基巖深度較深，其破碎帶等在施工期已開挖清除。F34 斷層的傾角28°，F(xiàn)34 右側(cè)發(fā)現(xiàn)了次一級F34-1、F34-2，其產(chǎn)狀均與F34 相近，其以上各斷層與f4 陡傾角斷層形成切割，其間產(chǎn)生楔狀體。根據(jù)重力壩設(shè)計規(guī)范進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定分析，結(jié)果顯示各工況下其安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，因此急需對F34 及其上附屬斷層進(jìn)行科學(xué)處理。

根據(jù)壩基開挖后的斷層構(gòu)造情況，擬定斷層全挖除、上游側(cè)布置深齒墻、混凝土洞塞、抗滑樁、抗滑樁+部分挖除、下游深齒墻六個方案。該工程最終對六個方案從工程安全、壩體整體結(jié)構(gòu)的受力條件、施工難易程度以及工程投資和工期影響進(jìn)行了比較，雖然全開挖方案投資稍高、工期較長，但從工程安全可靠、壩體結(jié)構(gòu)受力明確、施工方便等綜合考慮，采用全開挖方案，并相應(yīng)的對該部位的固結(jié)灌漿、帷幕灌漿進(jìn)行加深、加密處理，可以徹底消除F34 斷層對壩體穩(wěn)定的影響。

4 工程效益

2020年汛期，出山店水庫先后出現(xiàn)兩次較大洪水過程。其中最大一次洪水過程，最大入庫流量為2280m3/s，最高庫水位87.04m，超汛限水位1.04m。通過精準(zhǔn)科學(xué)調(diào)度，水庫消峰率達(dá)77.8%，滯洪時間達(dá)183h，作為未竣工驗收的出山店水庫與其他水庫科學(xué)聯(lián)合調(diào)度，最大程度減小了淮河干流的防洪壓力，發(fā)揮了巨大的防洪效益。

5 結(jié)語

出山店水庫重力壩為高彈模巖基，地基約束大，低水頭泄洪消能率不高，大體積混凝土溫度控制、緩傾角斷層處理難度大等多項技術(shù)難題。因此在工程前期設(shè)計階段，應(yīng)從以下幾個方面重點關(guān)注：

（1）對于低水頭、大單寬、低佛勞德數(shù)特征的溢流壩，需要尋求聯(lián)合消能工模式來提高消能率。

（2）對于大體積混凝土的澆筑，需要進(jìn)一步專題研究各部位混凝土澆筑溫度控制方案，制定詳細(xì)的施工進(jìn)度計劃，滿足工程施工節(jié)點目標(biāo)要求。

（3）緩傾角斷層的處理，需要從工程安全、施工難度、投資角度經(jīng)多方案比選確定合適的處理方案■