貴州省白馬山水庫混凝土砌石拱壩優(yōu)化設計

成克雄，譚劍波

（1.遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000；2.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100）

1 白馬山水庫工程概況

白馬山水庫位于貴州省余慶縣龍家鎮(zhèn)境內，地處烏江一級支流跳墩河上游，壩址距離龍家鎮(zhèn)9.0 km，距離余慶縣城90 km，距離遵義市115 km。該工程以發(fā)電為主，總裝機容量為3×630 kW，年平均發(fā)電量為698萬kW·h[1]。水庫壩址以上流域面積218.4 km2，河長22.9 km，河道平均比降9.83‰，多年平均流量3.63 m3/s。水庫正常蓄水位680.00 m，死水位679.00 m，尾水位644.75 m，正常蓄水位庫容253萬m3，死庫容244萬m3，興利庫容9萬m3。 根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252－2000），該水庫為?。?）型，工程等別為Ⅳ等。根據現(xiàn)場的實際情況，考慮到施工進度和施工質量，兼顧取水口的布置，推薦使用砌石拱壩[2]。

2 壩址地形地質條件

白馬山水庫壩址位于魚子孔K1出水溶洞以下約180 m的峽谷河段。該段河谷發(fā)育方向總體為S15°W，河道順直，下游壩址末端河流偏向東南方向。河床較窄，常年河道水面寬15～22 m，水深0.5～2.0 m，河床高程643.90～645.3 m。壩址兩岸岸坡總體延續(xù)性較好，沖溝不發(fā)育，但是，兩岸地形不對稱，右岸地形較陡，坡度在40°～45°之間；左岸中下部地形總體較陡，即675 m高程以下坡度多在50°以上，675 m高程以上則為緩坡地形，地形綜合坡度在10°左右，局部為階梯狀臺地。680 m高程谷口寬高比為2.9。

壩址區(qū)巖層產狀 N30～35°E/SE∠70～75°，陡傾左岸，為不對稱的“V”型走向河谷結構。左岸壩軸線下游為河彎地形，右岸地形較陡。所以，根據壩區(qū)、壩基巖體工程地質條件，發(fā)電引水系統(tǒng)宜采用左岸、岸邊地面式廠房布置形式。

3 砌石拱壩結構布置及材料選擇

3.1 結構布置

白馬山水庫為C15二級配混凝土砌毛石單曲拱壩。經應力、穩(wěn)定計算，并結合壩頂結構布置、建成后大壩運行管理和防洪搶險物資運輸所需的寬度要求[3]，擬定大壩斷面尺寸為：壩頂寬3.0 m，最大壩底厚14.0 m，壩頂中心角為86.18°，壩頂上游面半徑為85.0 m，壩頂最大弧長為127.85 m。根據壩基地質情況，確定河床段建基面高程為638.00 m，最大壩高為48 m，拱壩厚高比為0.292。大壩左右兩岸為非溢流壩段，總長93.09 m。溢流壩段位于壩0+053.39～壩0+088.14段，長34.75 m。水庫放空兼生態(tài)放水管中心線樁號為壩0+091.11。壩頂上游側設防浪墻，下游側設鋼筋混凝土欄桿。擬定重力墩頂寬為12 m，最大底寬為24.8 m，最大高度為16 m，上游坡鉛直，下游坡邊坡為1∶0.8，墩頂軸線長16.88 m。由于左岸地形為緩坡臺地，為防止庫水繞壩肩滲漏，結合壩頂寬度，考慮在重力墩左側設頂寬3.0 m的翼壩，建基面基礎開挖呈臺階狀。

白馬山水庫大壩上游面防滲心墻的弧長與厚度的比值較大，系屬長條形結構。采用全段面法施工時，容易沿壩體最薄的方向產生裂縫。為解決這個問題，除從材料方面入手，提高混凝土的抗裂性能外，還可以在上游面混凝土防滲心墻的適當位置設置橫向縫。結合壩體結構、施工強度、地質條件、溫控等要求，大壩上游面設置5條橫向縫，分別位于溢流壩段兩側及拱冠?？p內設置一道橡膠止水及梯形鍵槽，鍵槽深度為15 cm，鍵槽底部寬度為20 cm，坡度為 1∶0.2。

3.2 壩體材料

根據《砌石壩設計規(guī)范》（SL25-2006）要求，并結合類似工程的壩體材料[4]，白馬山水庫壩體主要采用二級配C9015W6混凝土砌毛石。經勘查，該工程料場的主要巖性為灰色中厚層灰?guī)r，開采率較高，其強度也可以滿足要求。

4 砌石拱壩結構優(yōu)化設計

4.1 壩頂高程確定

根據調洪計算成果，白馬山水庫校核洪水位為685.99 m、設計洪水位為684.38 m、正常蓄水位為680.00 m。 根據《砌石壩設計規(guī)范》（SL25-2006），壩頂上游防浪墻墻頂高程與正常蓄水位或校核洪水位高差的計算式為

式中：hb為波浪高，m；hz為波浪中心線與正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；hc為安全超高，m。

該區(qū)多年平均最大風速12.0 m/s，計算風的水庫吹程D=0.8 km。按照式（1）計算的各工況下大壩超高值及壩頂高程如表1所示。

由表1可知，壩頂高程控制情況為校核洪水位情況。據《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003）規(guī)定“壩頂高程應不低于校核洪水位，壩頂上游側防浪墻頂高程不得低于正常運用或非正常運用的靜水位加相應的超高Δh”，壩頂高程確定為686.00 m，防浪墻頂高程為687.20 m。

4.2 大壩應力計算分析

采用浙江大學水工結構研究所編制的《ADAO拱壩分析與優(yōu)化軟件》進行計算。

4.2.1 荷載組合

（1）基本組合1。正常蓄水位680.00 m與相應下游水位644.50 m+泥沙壓力（淤沙高程662.80 m）+自重+揚壓力+設計正常溫降。

（2）基本組合2。設計洪水位684.38 m與相應下游水位652.25 m+泥沙壓力（淤沙高程662.80 m）+自重+揚壓力+設計正常溫升。

（3）基本組合3。水庫死水位679.00 m與相應下游水位644.50 m+泥沙壓力（淤沙高程662.80 m）+自重+揚壓力+設計正常溫降。

（4）基本組合3。水庫死水位679.00 m與相應下游水位644.50 m+泥沙壓力（淤沙高程662.80 m）+自重+揚壓力+設計正常溫升。

（5）特殊組合1。校核洪水位685.99 m與相應下游水位653.70 m+泥沙壓力（淤沙高程662.80 m）+自重+揚壓力+設計正常溫升。

4.2.2 計算結果分析

經ADAO軟件，基本荷載組合下的最大主壓應力為2.50 MPa，發(fā)生在拱冠680.00 m高程上游面；最大主拉應力為0.89 MPa，發(fā)生在左拱端662.00 m高程上游面。特殊荷載組合下的最大主壓應力為1.51 MPa，發(fā)生在拱冠675.00 m高程上游面；最大主拉應力為0.57 MPa，發(fā)生在左拱端662.00 m高程下游面。各工況條件下，計算的最大主壓應力、最大主拉應力及發(fā)生位置與拱壩位移分布規(guī)律相符，且均在允許范圍內。因此，基巖承載力滿足要求。

4.3 壩肩穩(wěn)定性分析

壩址出露地層為寒武系婁山關群第三段 （∈2-3ls3）和第二段（∈2-3ls2）?！?-3ls3巖性為灰色、淺灰色中厚層白云巖，巖石風化較弱，巖體較完整；∈2-3ls2巖性為淺灰色薄至中厚層含泥質白云巖，巖石風化較強。 巖層產狀均為 N30°～35°E/SE∠70～75°。

壩址區(qū)地質構造為不發(fā)育，以裂隙為主。其裂隙主要分為兩組：第一組產狀為N20°～30°W/SW∠45°～55°；第二組產狀為 N35°～40°E/SE∠70°～75°。 根據大壩布置，拱壩中心線方位角為N26.26°E。經分析，第一組裂隙對左、右壩肩穩(wěn)定影響較小，而第二組裂隙對左壩肩穩(wěn)定影響較大。

表1 白馬山水庫壩頂高程計算參數Table 1 Baima mountain reservoir dam crest elevation parameters calculation

壩基置于弱風化基巖上部，開挖時遇裂隙、軟弱夾層，局部為深挖回填。拱端與兩岸陡坡相接處進行接觸灌漿處理。經綜合分析及試算，壩肩抗滑巖體底滑面為水平剪斷巖體；側滑面為對壩肩最不利的裂隙面或裂隙組合面，左壩肩側滑面最不利為第二組裂隙面影響，右壩肩側滑面最不利為N9.26°E剪斷巖體。壩肩抗滑穩(wěn)定計算中，只考慮帷幕灌漿作用，滲透壓力折減系數取0.60。計算結果如表2所示。

從表2可知，根據ADAO軟件計算的拱端受力情況，拱端在正常蓄水位和設計洪水位時穩(wěn)定正常工況的分層穩(wěn)定最小安全系數為3.47，整體穩(wěn)定最小安全系數為3.82，均大于規(guī)范規(guī)定的特殊組合K=3.0；在校核供水位時的分層穩(wěn)定最小安全系數為3.29，整體穩(wěn)定最小安全系數為2.73，均大于規(guī)范規(guī)定的特殊組合K=2.5，滿足規(guī)范要求，壩肩穩(wěn)定。

表2 白馬山水庫壩肩穩(wěn)定計算參數Table 2 Baima mountain reservoir dam abutment stability calculation

5 結語

（1）在白馬山水庫采用的混凝土砌毛石重力單曲拱壩具有工程量省、施工簡單、壩體外型與質量易控制、適應能力較強等優(yōu)點。

（2）采用ADAO拱壩分析與優(yōu)化軟件進行拱壩應力計算和壩肩穩(wěn)定性分析，計算結果表明，在不同荷載組合下，大壩計算的最大主壓應力、拉應力均在規(guī)定的允許范圍內，基巖承載力也滿足要求。壩肩在正常和校核工況下，分層穩(wěn)定和整體穩(wěn)定最小安全系數均大于規(guī)范規(guī)定的指標要求。

［1］遵義水利水電勘測設計研究院．貴州省余慶縣白馬山水電站工程初步設計報告［R］.2012．

［2］林文洪．砌石拱壩壩型控制技術 ［J］．水利科技與經濟，2010，（08）：943－945．

［3］陳麗萍．沙牌碾壓混凝土拱壩體形設計［J］．水電站設計，2004，（02）：36．

［4］潘永，徐生有．小型砌石拱壩壩體漏水處理方案探討［J］．小水電，2010，（01）：15－17．