羅家溝山塘埋石混凝土重力壩樞紐布置及結(jié)構(gòu)計(jì)算

張曉松

摘 要：結(jié)合羅家溝山塘工程地質(zhì)條件，綜合考慮建筑材料、施工工藝和投資經(jīng)濟(jì)性等因素，本研究?jī)?yōu)選筑壩材料豐富、埋石率高、壩體溫控效果好和綜合投資較優(yōu)的C15埋石混凝土重力壩方案。大壩結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表明，壩體設(shè)計(jì)方案合理可行，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)高，應(yīng)力分布均勻，可為工程高效優(yōu)質(zhì)的建設(shè)提供重要技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：埋石混凝土;重力壩;樞紐布置;羅家溝山塘

中圖分類號(hào)：TV61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）11-0047-03

Pivot Layout and Structural Calculation of Concrete Gravity

Dam in Luojiagou Mountain Pond

ZHANG Xiaosong

（Guizhou Tuotu Resources Development Co.， Ltd.，Guiyang Guizhou 550002）

Abstract： Combined with the engineering geological conditions of Luojiagou mountain pond， and considering factors such as building materials， construction technology and investment economy， this study selected a C15 buried rock concrete gravity dam with abundant dam materials， high rock burial rate， good temperature control effect of the dam body， and better comprehensive investment. The calculation results of the dam structure show that the dam body design scheme is reasonable and feasible， the anti-sliding stability safety factor is high， and the stress distribution is uniform， which can provide important technical guidance for the efficient and high-quality construction of the project.

Keywords： rock-buried concrete;gravity dam;pivot layout;Luojiagou mountain pond

羅家溝山塘工程位于貴州省畢節(jié)市金沙縣高坪鎮(zhèn)聯(lián)合村境內(nèi)，距高坪鎮(zhèn)政府4 km，距離金沙縣城約43 km。羅家溝山塘位于高坪鎮(zhèn)的羅家溝，屬于長(zhǎng)江流域?yàn)踅祷┖右患?jí)支流田堡小河的右岸支流。羅家溝為山區(qū)雨源型河流，全流域面積為3.08 km2，河長(zhǎng)為4.43 km，河道平均比降為50.7‰。壩址以上流域集雨面積為1.87 km2，主河道長(zhǎng)為2.31 km，河床平均坡降為110.7‰。羅家溝山塘工程任務(wù)為人飲供水，供水范圍為高坪鎮(zhèn)集鎮(zhèn)，可解決5 520人的生活飲用水問題。山塘樞紐由C15埋石混凝土重力壩、開敞式溢洪道、放空兼取水管道等組成。山塘正常蓄水位為1 368.00 m，死水位為1 363.00 m。正常蓄水位以下庫(kù)容為6.88萬m3，總庫(kù)容為9.77萬m3。工程總庫(kù)容小于0.001×108 m3，按?。?）型水庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，工程等別為Ⅴ等。

1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩區(qū)處于溶蝕地貌的溶丘洼地，壩址河谷為不對(duì)稱V形谷，河谷走向?yàn)楸睎|3°，總體表現(xiàn)為橫向谷。壩址河床地形平坦，無陡坎，跌水。河床高程為1 358～1 359 m，當(dāng)正常蓄水位為1 368 m時(shí)，谷口寬為53.6 m，寬高比為5.36。

根據(jù)地表地質(zhì)測(cè)繪，壩區(qū)出露地層為二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）、第四系殘坡積層（Qedl）及沖積層（Qal）。壩區(qū)無斷層發(fā)育;兩岸及河床發(fā)育2組構(gòu)造節(jié)理裂隙，未見較大的卸荷裂隙發(fā)育;根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，庫(kù)區(qū)出露巖性為中-硬質(zhì)巖類，右岸在勘察過程中未發(fā)現(xiàn)軟弱夾層。根據(jù)鉆探揭露及聲波測(cè)試，綜合本地區(qū)同類工程分析，左岸強(qiáng)風(fēng)化厚度為5～6 m，弱風(fēng)化厚度為8～9 m;河床強(qiáng)風(fēng)化厚度為3～4 m，弱風(fēng)化厚度為6～7 m;右岸強(qiáng)風(fēng)化厚度為7～8 m，弱風(fēng)化厚度為9～10 m。壩區(qū)兩岸未見崩塌堆積體、滑坡、大型松散堆積體等影響建壩的不良地質(zhì)體分布。

2 壩型適宜性分析比選

壩址河谷呈不對(duì)稱V形谷，地形較陡，在設(shè)計(jì)正常蓄水位1 368 m的條件下，對(duì)應(yīng)谷寬為53.6 m，寬高比為5.36。兩岸基巖多裸露，強(qiáng)風(fēng)化基巖為塊狀結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化巖體為層狀結(jié)構(gòu)，左岸為逆向坡、右岸為順向坡，壩址地形比較完整，壩址區(qū)無斷層構(gòu)造發(fā)育，地形地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，壩址具備修建重力壩的地形地質(zhì)條件[1-2]。本設(shè)計(jì)以C15埋石混凝土重力壩作為主推方案，以C15混凝土重力壩作為比選方案，比選成果如表1所示[3-4]。

從表1對(duì)比分析可知，C15埋石混凝土重力壩和C15混凝土重力壩方案在技術(shù)上均可行，均與工程地形地質(zhì)具有較好的適宜性。但是，C15埋石混凝土重力壩在造價(jià)上更加經(jīng)濟(jì)，在施工工藝上優(yōu)于C15混凝土重力壩，在建筑材料上減少了水泥用量，對(duì)溫控沒有要求。因此，羅家溝山塘大壩壩型選定為C15埋石混凝土重力壩。

3 埋石混凝土重力壩樞紐布置

羅家溝山塘首部樞紐由C15埋石混凝土重力壩、壩頂開敞式溢洪道、放空兼取水管道等組成。

3.1 擋水建筑物

大壩為C15埋石混凝土重力壩，壩頂高程為1 369.90 m，最大壩高為17.40 m，壩頂寬為3.00 m，壩底最大寬度為12.96 m，壩頂全長(zhǎng)為72.50 m，其中左岸非溢流壩段長(zhǎng)為34.50 m，右岸非溢流壩段長(zhǎng)為25.00 m，河床溢流壩段長(zhǎng)為13.00 m。

壩體斷面形式是在三角形基本剖面的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的使用要求而擬定的實(shí)用剖面，根據(jù)調(diào)洪計(jì)算及構(gòu)造要求，非溢流段壩頂寬度為3.00 m，壩頂高程為1 369.90 m。壩體上游鉛直，下游壩坡為1.00∶0.75，起坡點(diǎn)高程為1 365.78 m。

大壩壩體設(shè)計(jì)分為基礎(chǔ)墊層（含壩基齒槽）、壩體部分、壩頂部分和溢流面等四區(qū)。壩體各部位采用不同的筑壩材料。一是基礎(chǔ)墊層（含壩基齒槽）。墊層厚度為1.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C20，設(shè)計(jì)容重為24 kN/m3，抗?jié)B等級(jí)為W4，抗凍等級(jí)為F50。齒槽深為1.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C20，設(shè)計(jì)容重為24 kN/m3，抗?jié)B等級(jí)為W4，抗凍等級(jí)為F50。二是壩體部分。其采用C15埋石混凝土，埋石率為20%，埋石最大邊長(zhǎng)不宜大于100 cm，單塊質(zhì)量宜大于25 kg，中部或局部厚度不宜小于20 cm，石料抗壓強(qiáng)度不小于40 MPa，埋石體設(shè)計(jì)密度為2 300 kg/m3;天然砂和人工砂最大粒徑宜小于5 mm;混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15，抗?jié)B等級(jí)為W4，抗凍等級(jí)為F50。三是壩頂部分。壩頂厚度為0.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C20，設(shè)計(jì)容重為24 kN/m3，抗?jié)B等級(jí)為W4，抗凍等級(jí)為F50。四是溢流面區(qū)。鋼筋混凝土溢流面厚為0.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C25，設(shè)計(jì)容重為24 kN/m3，抗?jié)B等級(jí)為W4，抗凍等級(jí)為F50。

大壩壩身共分4條橫縫，橫縫樁號(hào)分別為0+012.40、0+025.00、0+038.00、0+052.60，其將壩體分為5個(gè)壩段。橫縫的上游面布設(shè)不銹鋼片止水、橡膠止水，止水片必須與壩基巖石妥善連接，止水片埋入基巖內(nèi)40 cm。

3.2 溢洪道

溢洪道為無閘門控制的開敞式自由溢流表孔泄洪形式，布置于主河槽內(nèi)，堰頂高程為1 368.00 m，溢流堰分為兩孔，單孔凈寬為5.00 m，溢洪道凈寬為10.00 m，中墩及兩側(cè)邊墩厚為1.00 m;堰頂設(shè)置寬3.00 m的交通橋。

溢流堰為WES型實(shí)用堰，由上游面曲線、下游面曲線、泄槽段和消能工等組成。堰頂上游段堰頭采用三圓弧曲線，下游為冪曲線。堰面曲線定型設(shè)計(jì)水頭（[Hd]）按高堰計(jì)算時(shí)，取[Hd]=（0.75～0.95）[Hmax]，[Hmax]為校核流量下的堰上水頭，為1.42 m，[Hd]取1.349 m。上游以三段圓弧與鉛直壩面連接，三段圓弧半徑分別為0.675 m、0.270 m、0.054 m。

堰頂下游采用規(guī)范推薦的WES冪曲線，堰面下接坡度比為1.00∶0.75的堰坡。溢洪道出口消力池采用底流消能，消力池長(zhǎng)為11.00 m，挖深為0.80 m，底板高程為1 356.50 m，消力池邊墻采用C25鋼筋混凝土，設(shè)計(jì)墻高為3.80 m，厚為1.00 m;消力池底板厚為1.00 m，采用C25鋼筋混凝土澆筑。溢洪道頂部設(shè)置交通橋，交通橋設(shè)置于壩頂上，寬為3 m。

3.3 取水兼放空管

取水及放空建筑物布置于大壩左岸0+046.30，由取水口、壩內(nèi)埋管、下游閘閥室組成。取水口前布置成臺(tái)階式，臺(tái)階長(zhǎng)為2.00 m，寬為1.00 m，臺(tái)階上設(shè)置0.75 m高的攔沙坎，攔沙坎采用C25鋼筋混凝土澆筑，厚度為0.50 m。攔沙坎頂部設(shè)置攔污柵，壩內(nèi)埋設(shè)DN500 mm鋼管，中心線高程為1 361.50 m，管身采用0.20 m厚的C20混凝土外包。管道穿進(jìn)壩體之后設(shè)置兩個(gè)彎管將管道中心高程降至1 358.95 m，管道穿出壩體之后進(jìn)入閘閥室，在閘閥室內(nèi)一分為三，分別為DN500 mm放空管、DN100 mm生態(tài)放水管、DN300 mm供水管。其中，放空管和生態(tài)放水管接入溢洪道消力池內(nèi)，各管道出口分別設(shè)置閘閥控制放水。

4 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 壩頂高程計(jì)算

由調(diào)洪計(jì)算成果可知，大壩設(shè)計(jì)洪水位（洪水頻率P=5%）為1 369.14 m時(shí)，最大下泄流量為25.40 m3/s;大壩校核洪水位（洪水頻率P=1%）為1 369.42 m時(shí)，最大下泄流量為33.70 m3/s;壩頂高程滿足消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)（洪水頻率P=10%）時(shí)，大壩上游洪水位為1 369.07 m，下泄流量為21.50 m3/s。根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 25—2006），按三種工況計(jì)算取較大值：正常高水位+正常運(yùn)行條件下的壩頂超高;設(shè)計(jì)洪水位+正常運(yùn)行條件下的壩頂超高;校核洪水位+非常運(yùn)行條件下的壩頂超高。壩頂高程計(jì)算成果如表2所示。

表2計(jì)算結(jié)果表明，防浪墻頂高程的控制情況為校核洪水位加非常運(yùn)用條件情況，計(jì)算所需墻頂高程為1 369.87 m。根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2018），在宣泄校核洪水位時(shí)，溢洪道控制段的閘墩頂部高程不應(yīng)低于校核洪水位加安全超高值，即不低于1 369.62 m。初步確定溢洪道頂交通橋橋板厚0.20 m，則壩頂高程不小于1 369.82 m，因本工程溢洪道布置于大壩中間，為保證壩頂高程與閘墩頂部高程協(xié)調(diào)一致，確定大壩壩頂高程為1 369.90 m，上游設(shè)置1.20 m高防浪墻，防浪墻頂高程為1 371.10 m。

4.2 大壩穩(wěn)定及應(yīng)力分析

4.2.1 壩體抗滑穩(wěn)定分析。大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算選取混凝土墊層與壩基接觸面作為驗(yàn)算截面，計(jì)算各截面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)?？够€(wěn)定按抗剪斷公式進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 25—2006）和《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319—2018），基本組合情況K>3.00，特殊組合情況K>2.50。從計(jì)算成果來看，壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值，穩(wěn)定性好且安全富裕度較高。

4.2.2 壩體應(yīng)力分析。根據(jù)羅家溝山塘工程特性，按照《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 25—2006）和《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319—2018），壩體應(yīng)力采用材料力學(xué)法進(jìn)行分析[5]，分析成果如表4所示。

由表4可知，各驗(yàn)算截面均滿足規(guī)范要求，大壩基本剖面設(shè)計(jì)合理可行。

5 結(jié)論

經(jīng)壩型比選，埋石混凝土重力壩和混凝土重力壩均具有較好的地質(zhì)適宜性和技術(shù)可行性，但埋石混凝土重力壩埋石率達(dá)到20%，工程造價(jià)較低，經(jīng)濟(jì)性更好。按照投資節(jié)省原則，本設(shè)計(jì)優(yōu)選埋石混凝土重力壩壩型方案。結(jié)合調(diào)洪特征水位，本設(shè)計(jì)確定壩頂高程為1 369.90 m，防浪墻頂高程為1 371.10 m。穩(wěn)定性和壩體應(yīng)力分析結(jié)果表明，不同運(yùn)行工況下，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩體應(yīng)力均滿足規(guī)范要求值，大壩基本剖面設(shè)計(jì)合理可行，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

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