蓄水工況下大壩加高擴(kuò)建關(guān)鍵技術(shù)分析

黃 凱，張?bào)心?，袁麗?/p>

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

遵義市紅巖水庫(kù)工程大壩位于遵義市巷口鎮(zhèn)，該工程于1958年動(dòng)工興建，后因三年自然災(zāi)害停建，于1992年4月續(xù)建，1994年9月完工，并于2006年10月增設(shè)6扇弧形閘門及配套設(shè)施。目前已建成的紅巖水庫(kù)總庫(kù)容653萬(wàn)m3，正常蓄水位884.66m，相應(yīng)庫(kù)容510萬(wàn)m3，死水位874.66m，死庫(kù)容100萬(wàn)m3，屬于小(1)型水庫(kù)，壩型為漿砌石拱形重力壩，最大壩高26.3m，現(xiàn)狀壩頂高程887.660m，壩體拱形外半徑200m，。隨著遵義市城市規(guī)模不斷增大，人口的不斷增加及工業(yè)的不斷發(fā)展，目前遵義城區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要與現(xiàn)狀供水能力已不相適應(yīng)。因此，對(duì)紅巖水庫(kù)進(jìn)行加高擴(kuò)建，解決城區(qū)缺水問(wèn)題。

紅巖水庫(kù)大壩加高擴(kuò)建后，正常蓄水位為894m，總庫(kù)容1976萬(wàn)m3，工程等別變?yōu)棰蟮?，工程?guī)模變?yōu)橹行?，最大壩高抬高?7.50m。紅巖水庫(kù)加高主要為遵義市主城區(qū)供水年總供水量2747萬(wàn)m3，加高部分增加可供水量1827萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)流量為1.05m3/s。

2 施工期臨時(shí)蓄水水位設(shè)計(jì)

2.1 施工導(dǎo)流程序

大壩加高施工期需保證大壩安全并實(shí)現(xiàn)下游基坑干地施工，應(yīng)盡量降低庫(kù)水位；紅巖水庫(kù)目前是遵義市紅花崗區(qū)供水水源，施工期間為保證供水，應(yīng)盡量保持水庫(kù)高水位；為解決上述矛盾，結(jié)合壩體施工期導(dǎo)流方案及相應(yīng)施工進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行施工期調(diào)洪計(jì)算，在保證大壩施工安全的前提下根據(jù)計(jì)算提出合理的臨時(shí)蓄水位。

根據(jù)水庫(kù)施工導(dǎo)流方案及施工進(jìn)度計(jì)劃，本工程施工導(dǎo)流程序?yàn)椋?/p>

1)第1年11月-第2年3月(一期)

不拆除現(xiàn)有溢洪道閘門，利用原壩體擋水，關(guān)閉沖沙底孔進(jìn)口閘門，利用φ1200取水管(原大壩供水管)過(guò)流的施工導(dǎo)流方式。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇枯期洪水，流量為23.7m3/s。

2)第2年4月-第2年10月(汛期)

利用壩體臨時(shí)斷面擋水，施工度汛采用預(yù)留缺口+底孔+取水管三者聯(lián)合度汛，度汛標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇全年洪水標(biāo)準(zhǔn)，度汛設(shè)計(jì)流量為503m3/s。

3)第2年11月-第3年3月(二期)

利用壩體擋水，底孔+取水管(原大壩供水管)過(guò)流進(jìn)行施工導(dǎo)流，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)與一期相同。

2.2 施工進(jìn)度計(jì)劃

根據(jù)施工導(dǎo)流計(jì)劃，因加高大壩不易新建導(dǎo)流設(shè)施，主要采用原有壩體取水及泄洪設(shè)備導(dǎo)流，故工程主體施工主要安排于兩個(gè)枯期進(jìn)行，汛期主要進(jìn)行輔助及配套工程施工，主要施工進(jìn)度計(jì)劃為：一期不拆除溢洪道閘門，進(jìn)行河床部分基礎(chǔ)開(kāi)挖、河床段墊層澆筑、固結(jié)灌漿、河床段壩體砌筑、河床段帷幕灌漿及壩體充填灌漿(原壩頂鉆孔灌漿)、上游面防滲涂料等施工。采用現(xiàn)有壩體和閘門擋水，關(guān)閉沖沙底孔，采用取水鋼管施工導(dǎo)流。二期拆除溢洪道閘門后，主要進(jìn)行原溢洪道結(jié)構(gòu)拆除、改建溢洪道結(jié)構(gòu)澆筑及閘門安裝等。

2.3 施工期蓄水水位選取

1)第1個(gè)枯水期(一期)蓄水水位選取

原大壩正常蓄水位運(yùn)行多年，大壩上游面、供水取水口井筒、沖沙兼放空底孔等現(xiàn)狀具體情況未知，同時(shí)，原大壩加高擴(kuò)建河床段帷幕灌漿時(shí)庫(kù)水位越低灌漿效果越好且上游壩面需增設(shè)防滲涂料，考慮第1年11月-12月降低庫(kù)水位施工。根據(jù)《遵義市南郊水廠遷建及配套管網(wǎng)工程初步設(shè)計(jì)》，采用庫(kù)內(nèi)浮船泵站取水(浮船安裝時(shí)，庫(kù)內(nèi)水位為原大壩正常蓄水位884.66m)，浮船最低運(yùn)行水位876.5m。根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃結(jié)合浮船運(yùn)行安全，第1年11月-12月降低庫(kù)水位至876.5m水位施工。

第2年1月-3月，此階段仍采用原壩體及溢洪道閘門擋水，在保證大壩河床基礎(chǔ)開(kāi)挖安全施工、原大壩安全穩(wěn)定基礎(chǔ)上，抬高庫(kù)水位盡可能多的供水。河床基礎(chǔ)開(kāi)挖后，大壩下游側(cè)形成新的滑動(dòng)臨空面，根據(jù)大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核，水庫(kù)水位不得高于881.90m，即第2年1月-3月水庫(kù)庫(kù)水位不超過(guò)881.90m。

2)第2個(gè)枯水期(二期)蓄水水位選取

本時(shí)段為第2年11月-第3年3月，該施工時(shí)段主要進(jìn)行原溢洪道結(jié)構(gòu)拆除、改建溢洪道結(jié)構(gòu)澆筑及閘門安裝等施工。由于原有閘門已拆除，該時(shí)間段水庫(kù)水位加風(fēng)浪壅高不得高于堰頂高程881.66m。同時(shí)又需要盡可能滿足下游城市供水需求，經(jīng)計(jì)算相應(yīng)頻率洪水位壅高1.11m，選取相應(yīng)的水庫(kù)二期最高水位為880.50m。既保證下游施工作業(yè)面干地施工有最大可能滿足供水需求。

2.4 不同蓄水位下供水能力復(fù)核

一期施工庫(kù)水位：①第1年11月-12月，本階段降低水位至876.5m進(jìn)行上游面及原壩體防滲體施工，此階段供水能力下降較多僅可供水32萬(wàn)m3，近乎供水能力，但該階段僅持續(xù)1個(gè)月，時(shí)間較短；②第2年1月-3月，水庫(kù)蓄水位為880.90m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容309萬(wàn)m3，死水位為874.66m，死庫(kù)容100萬(wàn)m3，興利庫(kù)容209萬(wàn)m3，可供水161萬(wàn)m3(95%)，與現(xiàn)狀水庫(kù)該時(shí)段供水量相比，水庫(kù)供水量減少219萬(wàn)m3。

二期施工庫(kù)水位：第2年11月-第3年3月，水庫(kù)蓄水位為880.50m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容290萬(wàn)m3，死水位為874.66m，死庫(kù)容100萬(wàn)m3，興利庫(kù)容190萬(wàn)m3，可供水84萬(wàn)m3(95%)，與現(xiàn)狀水庫(kù)該時(shí)段供水量相比，水庫(kù)供水量減少297萬(wàn)m3。

紅巖水庫(kù)現(xiàn)狀供水情況為：城市可供水量為920萬(wàn)m3/a(P=95%)，無(wú)灌溉任務(wù)。遵義市主城區(qū)現(xiàn)狀總供水量為24380萬(wàn)m3/a，紅巖水庫(kù)現(xiàn)狀供水量占比為3.77%。遵義市主城區(qū)為多水源聯(lián)合供水，城區(qū)現(xiàn)有各水廠已聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。紅巖水庫(kù)加高擴(kuò)建工程實(shí)施時(shí)，水庫(kù)現(xiàn)狀供水量減少，供水量減少部分可通過(guò)聯(lián)網(wǎng)調(diào)配，以保障主城區(qū)用水。加高擴(kuò)建方案的設(shè)計(jì)和施工均在此基礎(chǔ)上展開(kāi)[1]。

3 壩體加高結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程推薦規(guī)劃壩址原拱形重力壩加高方案，擋水大壩在原大壩上加高。加高后，壩頂高程提升至896.50m，由于下游壩段建基面開(kāi)挖高程為859.00m，拱形重力壩最大壩高由原26.3m抬高至37.50m。為滿足溢洪道閘門安裝、及水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中管理人員觀測(cè)等要求，同時(shí)滿足壩體抗滑穩(wěn)定要求，綜合各項(xiàng)因素后壩頂寬度取為8.0m，另經(jīng)上游水位計(jì)算壩頂可不設(shè)防浪墻，僅設(shè)置石材欄桿。壩軸線弧長(zhǎng)150.70m，壩軸線圓弧半徑200m，右岸弧角21.05°，左岸弧角22.12°。大壩左右兩岸為非溢流壩段，位于樁號(hào)壩橫0+000.0m-壩橫0+049.469m、壩橫0+097.479m-壩橫0+150.700m。 河床段為溢流段，共長(zhǎng)48.0m。

壩體非溢流壩段上游面垂直，下游壩坡為1∶0.8，下游起坡點(diǎn)高程為893.00m，壩頂寬8m。溢流壩段總長(zhǎng)48.0m，設(shè)置5孔開(kāi)敞式溢洪道表孔，堰頂高程890.00m。表孔設(shè)有7×4m(寬×高)弧形工作閘門，根據(jù)全年水位計(jì)算，溢洪道需設(shè)檢修閘門用以工作閘門檢修需要。溢洪道溢流堰面采用WES實(shí)用堰，下游泄槽段坡比采用1∶1.25上接溢流堰堰面，下接挑流鼻坎反弧段，溢洪道采用挑流消能，鼻坎后設(shè)置10m長(zhǎng)護(hù)坦，挑流鼻坎高程872.443m，挑射角15°。

圖1 非溢流壩段壩體加高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2 壩頂高程計(jì)算

紅巖水庫(kù)加高擴(kuò)建工程大壩為3級(jí)建筑物，大壩為50a一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，為500a一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)水文專業(yè)調(diào)洪成果，水庫(kù)正常蓄水位取為894.00m時(shí)，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算值為894.17m (P=2.0%)，水庫(kù)校核洪水位計(jì)算值為895.11m(P=0.2%)。根據(jù)規(guī)范要求，壩頂高程應(yīng)根據(jù)水庫(kù)靜水位以及各種運(yùn)行工況下相應(yīng)安全超高兩者聯(lián)合計(jì)算所得，按照以下兩種情況計(jì)算，取兩者較大值作為壩頂高程計(jì)算值：

1)正常蓄水位+正常運(yùn)用情況的安全超高

2)校核洪水位+非常運(yùn)用情況的安全超高

壩頂超高計(jì)算公式：

Δh=h1%+hz+hc

(1)

式中：h1%為波高，m；hz為波浪中心線與正?；蛐：撕樗坏母卟?，m；hc為安全超高，m，按SL319-2018中表4.2.1規(guī)定：正常蓄水位工況下超高取0.4 m，校核洪水位工況下超高取0.3 m。

3.2.1 風(fēng)浪要素計(jì)算

W<20m/s，D<20000m，采用官?gòu)d水庫(kù)公式計(jì)算：

(2)

(3)

式中：h為當(dāng)gD/W2=20-250時(shí)，為累積頻率5%的波高h(yuǎn)5%，m；當(dāng)gD/W2=250-1000時(shí)，為累積頻率10%的波高h(yuǎn)10%，m；W為計(jì)算風(fēng)速，該地多年平均最大風(fēng)速根據(jù)氣象資料為16.3m/s，在正常蓄水位工況下，計(jì)算風(fēng)速可取為多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，為24.45m/s，校核洪水時(shí)計(jì)算風(fēng)速取多年平均最大風(fēng)速；D為吹程，該水庫(kù)吹程為0.7km；Lm為平均波長(zhǎng)，m[2]。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：

表1 風(fēng)浪計(jì)算成果表

3.2.2 hz(波浪中心線至計(jì)算水位的高度)確定：

(4)

式中：H為擋水建筑物迎水面前的水深，m；校核洪水位時(shí)壩前水深：36.10m；正常高水位時(shí)壩前水深：35.17m；h1%為累積頻率1%的波高。

表2 hz值計(jì)算表

3.2.3 壩頂高程確定

根據(jù)上述工況下的水庫(kù)靜水位加上相應(yīng)安全超高后的最大值確定最紅壩頂高程。計(jì)算成果見(jiàn)表3：

表3 拱形重力壩壩頂高程計(jì)算成果表 m

由表3可確定壩頂高程為896.50m。

3.3 大壩穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

3.3.1 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

按抗剪斷強(qiáng)度公式如下：

(5)

式中：K′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′、c′為分別為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)和抗剪斷凝聚力，kN/m3；A為壩基接觸面截面積，m2；∑W—壩體上所有荷載相對(duì)于對(duì)壩基滑動(dòng)平面的法向分力，t，計(jì)算壩底揚(yáng)壓力時(shí)，取壩基排水幕折減系數(shù)0.25、兩岸坡排水幕折減系數(shù)0.35，施工期考慮原壩基排水孔年久失效，帷幕折減系數(shù)0.6；∑P為壩體上所有荷載相對(duì)于滑動(dòng)平面的切向分力，t。

根據(jù)壩基及壩體力學(xué)參數(shù)選用抗剪斷公式計(jì)算壩體抗滑穩(wěn)定?？辜魯嘞禂?shù)在荷載基本組合工況下>3.0，在荷載特殊組合工況下>2.5。

工程壩體在進(jìn)行抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算時(shí)，分了5種典型壩段分別進(jìn)行計(jì)算：①河床非溢流壩段；②河床溢流壩段；③左岸近河床非溢流壩段；④右岸近河床非溢流壩段。⑤右岸壩肩段。

經(jīng)計(jì)算，大壩施工期下游河床基礎(chǔ)開(kāi)挖后，大壩下游側(cè)形成新的滑動(dòng)臨空面，其基本組合的壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′>3.0，滿足規(guī)范要求；完建期大壩沿新老壩體建基面滑動(dòng)，其基本組合的壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′>3.0；特殊組合工況下的壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′>2.5，以上計(jì)算成果均滿足規(guī)范要求[3]。

3.3.2 壩體應(yīng)力計(jì)算

可采用材料力學(xué)法計(jì)算壩體應(yīng)力，計(jì)算成果需保證在規(guī)定荷載組合下滿足壩基面垂直正應(yīng)力

工程原壩體采用M7.5漿砌塊石，原壩體塊石平均飽和抗壓強(qiáng)度30MPa，根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL25-2006)，其容許壓應(yīng)力值：基本荷載組合2.6MPa，特殊荷載組合3.0MPa。壩體加高部分采用C10細(xì)石混凝土砌毛石，依照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2018)，其容許壓應(yīng)力值：基本荷載組合2.1MPa，特殊荷載組合2.5MPa。

地基弱風(fēng)化巖體抗剪斷強(qiáng)度混凝土/巖石(弱風(fēng)化)f′=0.6，c′= 0.3Mpa；承載力fk=1.2MPa。

計(jì)算公式如下：

(6)

式中：T為壩體計(jì)算截面上游、下游方向的寬度；∑W為計(jì)算截面上全部垂直力之和，以向下為正；∑M為計(jì)算截面上全部垂直力及水平力對(duì)于計(jì)算截面形心的力矩之和，以使上游面產(chǎn)生壓應(yīng)力者為正[4]。

經(jīng)計(jì)算，壩體最大壓應(yīng)力0.423MPa，且各種組合下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

目前我國(guó)現(xiàn)存較多不滿足現(xiàn)狀需求的水利工程，后續(xù)將會(huì)出現(xiàn)大量水利工程除險(xiǎn)加固或加高擴(kuò)建，遵義市紅巖水庫(kù)加高擴(kuò)建針對(duì)壩體穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算等方面進(jìn)行壩體加高設(shè)計(jì)，并對(duì)大壩加高現(xiàn)狀以及供水與施工矛盾等方面進(jìn)行了充分考慮，結(jié)合施工進(jìn)度計(jì)劃及壩體施工安全針對(duì)施工期蓄水水位作了詳細(xì)計(jì)算及設(shè)計(jì)，對(duì)類似工程具有一定借鑒作用。