邵家水庫混凝土面板堆石壩樞紐布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計

聶乾

摘 要：針對邵家水庫壩址區(qū)地質(zhì)條件較復(fù)雜，壩基肩軟質(zhì)巖巖體承載力低、裂隙密集發(fā)育、抗滑抗變形能力差等不利地質(zhì)問題。結(jié)合地質(zhì)勘探揭露成果，對壩型地質(zhì)適應(yīng)性、大壩樞紐布置、壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行詳細(xì)論證和計算研究。分析成果表明：防滲加固等工程措施處理后，水庫具備蓄水條件。優(yōu)選的混凝土面板堆石壩方案具有較高的工程匹配性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，可為同類型水庫工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：壩型比選;面板堆石壩;樞紐布置;邵家水庫

中圖分類號：TV641.43 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0063-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.014

The Layout and Structural Design for Concrete Face Rock-Fill

Dam of Shaojia Reservoir

NIE Qian

（Guizhou Zhongcheng Tianhe Water Conservancy Engineering Co.， Ltd.，Gui'an 550003，China）

Abstract： The complex conditions of topography and geological with low bearing capacity of soft rock mass， dense development fissures， poor anti sliding and anti deformation ability at dam foundation abutment has been introduced in Shaojia reservoir. Combining site reconnaissance， the key technical problems such as the dam type geological adaptability， the dam hydro-project layout and the dam body's structural parameters have been demonstrated and calculated in detail. The analyzing results show that after being treated with anti-seepage reinforcement and other engineering measures， the reservoir has water storage conditions. And the optimal schemes of concrete face rock-fill dam design scheme has high engineering matching and technical economy， and can provide reference for the construction of similar reservoir projects.

Keywords： dam type comparison and selection; concrete face rock-fill dam; hydro-project layout; Shaojia reservoir

1 工程概況

邵家水庫地處貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)放珠集鎮(zhèn)，工程任務(wù)是供水和農(nóng)田灌溉，解決放珠集鎮(zhèn)0.8萬人的用水問題，保障灌區(qū)598.67 hm2（其中旱地275.67 hm2、經(jīng)果林323.00 hm2）的灌面用水，同時保障灌區(qū)4 210人和3 789頭牲畜用水，水庫總庫容為139萬m3，多年平均總供水量為166萬m3/a，其中向放珠集鎮(zhèn)供水水量為58.4萬m3/a，農(nóng)村飲水供水量為22.5萬m3/a，多年平均灌溉供水量為76.5萬m3/a（P=80%時供水量為84.9萬m3/a），供水泵站裝機(jī)容量為2×160 kW，選定基本壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高52 m。

2 工程地質(zhì)條件及壩型比選

2.1 工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)巖層單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀N42°～45°E/NW∠45°～50°，總體傾右岸、偏上游，為基本對稱的V形斜向河谷，在河灣地帶為走向河谷。壩址區(qū)分布三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）地層以及第四系（Q），地層單一，T1f巖性為薄層夾中厚層鈣質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖與砂質(zhì)泥巖互層，厚度大于100 m，廣泛分布于壩址區(qū)河床及兩岸。壩基肩巖體多屬軟質(zhì)巖，巖體承載力低，抗變形能力不一，壓縮變形及不均勻沉降明顯。加之壩址裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度整體較低，抗滑、抗變形能力較差。根據(jù)上述壩址地形地質(zhì)條件，結(jié)合水庫規(guī)模，就土石壩、重力壩及拱壩三類基本壩型而言，壩址區(qū)分布巖性為薄層夾中厚鈣質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，總體屬較軟巖;壩址裂隙較發(fā)育，巖體強(qiáng)度較低，抗滑、抗變形能力較差;水庫大壩最大壩高達(dá)到52 m，修建拱壩的風(fēng)險較大，且拱壩對壩肩及壩基建基面的質(zhì)量要求較高、施工難度大、施工工藝復(fù)雜、工期長 [1]。因此，設(shè)計不考慮修建拱壩，故從壩型適應(yīng)性分析宜優(yōu)選土石壩和重力壩壩型。

2.2 壩型比選

從壩線地形地質(zhì)條件來看，既可建重力壩，也可考慮建當(dāng)?shù)夭牧贤潦瘔?。但對于重力壩而言，其存在以下問題：①兩岸邊坡高陡，其工程措施處理工作難度大，且工程量大;②壩基巖體承載力低，抗變形能力不一，強(qiáng)度差異較大，壩基存在較突出的壓縮變形問題;③右岸地形單薄，為順向坡，為滿足壩基嵌深要求，大規(guī)模開挖勢必形成高陡邊坡，存在高邊坡不穩(wěn)定問題，邊坡處理工程量較大。④壩址上下游均為河灣地形，壩頂溢洪道出口下泄洪水對沖左岸，出水條件較差，且左岸為順向坡，處理工作量大。同時，重力壩方案工程投資約12 244萬元，而土石壩方案樞紐部分投資僅為8 933.06萬元，重力壩方案投資較大，土石壩方案經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。由此可知，邵家水庫壩址修建重力壩適宜性、經(jīng)濟(jì)性較差。因此，優(yōu)選土石壩作為基本壩型。B5E7EC23-F76D-42D5-AB3B-40C48AEBBA28

對于土石壩，防滲體可選黏土、混凝土及瀝青混凝土等材料[2-3]。經(jīng)實地勘察，工程區(qū)附近無集中成片、儲量和質(zhì)量均滿足要求的黏土料場分布。瀝青混凝土施工受氣候條件影響大，邵家水庫所在地海拔較高，凝凍天氣發(fā)生頻率高，瀝青混凝土施工進(jìn)度及施工質(zhì)量難以控制。綜上所述，結(jié)合邵家水庫當(dāng)?shù)靥烊唤ㄖ牧系姆植记闆r，土石壩代表壩型選擇施工技術(shù)簡單、筑壩強(qiáng)度高、可充分利用當(dāng)?shù)刎S富的天然筑壩材料、壩體填筑不受氣候條件限制的混凝土面板堆石壩[4-5]，即優(yōu)選混凝土面板堆石壩為邵家水庫工程的代表壩型。

3 混凝土面板堆石壩樞紐布置

邵家水庫樞紐包括大壩、溢洪道、取水兼放空建筑物等組成。

擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩軸線方位角NE73°45′57″，最大壩高52.0 m，壩頂寬度8.4 m，壩頂長124.17 m，壩頂高程1 498.00 m，壩頂上游設(shè)置倒T形防浪墻，防浪墻底高程1 497.25 m，防浪墻頂高程1 499.20 m，下游設(shè)防護(hù)欄桿。上、下游壩坡均為1∶1.4，下游壩坡在1 473.00 m高程設(shè)置2.0 m寬馬道。混凝土面板面板等厚0.40 m，面板共分11塊，受壓區(qū)單塊寬度12 m，受拉區(qū)單塊寬度8 m。面板上游依次為鋪蓋區(qū)（頂部高程1 469.50 m，水平寬度2.5 m），蓋重區(qū)（頂部高程1 471.50 m，頂部水平寬度5.0 m）;面板下游依次為墊層區(qū)（水平寬度3 m）、過渡區(qū)（水平寬度3 m）、堆石區(qū)（頂部高程1 494.25 m）及下游干砌塊石護(hù)坡（厚0.5 m）。周邊縫及面板垂直縫間均設(shè)有止水。溢洪道位于右岸，緊鄰大壩布置，軸線方位為SW197°55'54"，包括進(jìn)水渠段、控制段、泄槽段、消能防沖段，總長143.49 m。取水兼放空建筑物位于大壩左岸，由導(dǎo)流洞改建而成，洞軸線方位角為SW205°24′2″，由閘井段、豎向轉(zhuǎn)彎段、洞身段、閘閥室段和出水明渠段組成。

4 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 壩頂高程

邵家水庫正常蓄水位為1 495.00 m，根據(jù)調(diào)洪計算結(jié)果，設(shè)計洪水位為1 497.03 m，校核洪水位為1 497.90 m。水庫位于山區(qū)峽谷地區(qū)，壩區(qū)多年平均風(fēng)速1.4 m/s，多年平均最大風(fēng)速12 m/s。按《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 228—2013）相關(guān)規(guī)定設(shè)計[6]，壩頂高程按各種運行情況的水庫靜水位加上相應(yīng)壩頂超高后的最大值確定，壩頂高程計算成果如表1所示。

從表1可知，大壩防浪墻頂高程的控制情況為設(shè)計洪水位工況，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻時，壩頂超高可改為對防浪墻頂?shù)囊?。但此時在正常運用條件下，壩頂應(yīng)高出靜水位0.50 m;在非常運用條件下，壩頂應(yīng)不低于靜水位。因此，邵家水庫取壩頂高程1 498.00 m，防浪墻頂高于壩頂1.20 m，相應(yīng)防浪墻頂部高程為1 499.20 m。

4.2 大壩結(jié)構(gòu)布置

壩體分區(qū)從上游到下游分別為上游防滲補(bǔ)強(qiáng)區(qū)（石渣蓋重區(qū)1B、黏土鋪蓋區(qū)1A）、墊層區(qū)2A、堆石區(qū)（過渡區(qū)3A、堆石區(qū)3B）。此外，在周邊縫底部設(shè)有特殊墊層區(qū)2B，下游設(shè)0.5 m厚干砌塊石護(hù)坡。大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面，如圖1所示。

4.2.1 上游防滲補(bǔ)強(qiáng)區(qū)。含黏土鋪蓋區(qū)1A和石渣蓋重區(qū)1B?？紤]到壩高不高，水壓力小的實際情況，上游鋪蓋區(qū)僅采用黏土鋪蓋。其目的是在面板出現(xiàn)裂縫和面板之間的板間縫、面板與趾板之間的周邊縫張開時，形成防滲黏土鋪蓋輔助防滲作用，細(xì)料可隨水流進(jìn)入縫中，并在面板下部墊層料反濾作用下來淤堵裂縫使其自愈而恢復(fù)防滲性能的雙重保護(hù)作用。死水位為1 483.00 m，取水兼放空孔底高程為1 475.50 m，50年淤沙高程1 475.20 m，確定上游防滲鋪蓋頂高程為1 469.50 m，頂寬2.5 m，上游坡1∶1.4，下游面緊貼面板和趾板。為防止防滲土料失穩(wěn)流失，在黏土鋪蓋區(qū)1A上游側(cè)設(shè)蓋重區(qū)1B，采用開挖石渣填筑高程為1 471.50 m，頂寬5.0 m，上游坡1∶2.5。石渣蓋重各建筑物開挖石渣料，粒徑小于5 mm石渣料含量在0%～30%之間，設(shè)計干密度≥2.04 t/m3，相應(yīng)孔隙率≤25%。

4.2.2 墊層區(qū)2A。邵家水庫墊層區(qū)2A墊層料采用料場灰?guī)r開挖料，經(jīng)人工破碎篩分后配置，顆粒級配應(yīng)滿足以下要求：顆粒級配連續(xù)，最大粒徑為80 mm，小于5 mm的顆粒含量宜為35%～55%，小于0.075 mm的顆粒含≤8%。壓實標(biāo)準(zhǔn)按相對密度Dr≥0.85控制，設(shè)計干密度≥2.21 t/m3，或設(shè)計孔隙率≤18，壓實后的滲透系數(shù)為1×10-4～1×10-3 cm/s。根據(jù)貴州省已建水庫工程經(jīng)驗，取墊層區(qū)水平寬度3.0 m。在周邊縫下游側(cè)設(shè)特殊墊層區(qū)2B。特殊墊層區(qū)位于基巖與趾板接觸區(qū)域，特殊墊層區(qū)高為3.0 m并向下游延伸3.0 m。特殊墊層料為料場爆破料場灰?guī)r開挖料，經(jīng)人工破碎篩分后配置。該料最大粒徑40 mm，小于5 mm的顆粒含量為40%～55%，小于0.075 mm的顆?？刂圃凇?%，孔隙率≤18%。

4.2.3 堆石區(qū)。過渡區(qū)3A是墊層料與主堆石區(qū)的過渡料區(qū)，其水平寬度為3.0 m。它的作用主要是攔截墊層料中帶出的細(xì)顆粒，達(dá)到從墊層料向主堆石料粒徑的過渡，減小墊層料與主堆石料之間的強(qiáng)度差，達(dá)到變形模量的過渡。因此，過渡料應(yīng)具有良好的級配，壓實后具有低壓縮性，高抗剪強(qiáng)度，并能對墊層料有反濾作用。過渡料與墊層料相似，3A區(qū)變形也對面板有較大影響，故仍要求用料堅硬、軟化系數(shù)低、密實度高，壓實后具有低壓縮性和高抗剪強(qiáng)度，并具有自由排水性能。顆粒級配應(yīng)滿足以下要求：顆粒級配連續(xù)，最大粒徑不大于300 mm，小于5 mm粒徑顆粒含量為20%～30%，小于0.075 mm粒徑顆粒含量為≤5%，相對密度Dr≥0.85，設(shè)計干密度≥2.18 t/m3，壓實后的孔隙率≤19%，壓實后的滲透系數(shù)為1×10-3～1×10-2 cm/s。B5E7EC23-F76D-42D5-AB3B-40C48AEBBA28

堆石區(qū)3B位于過渡料下游，是面板壩承受水荷載及其他荷載的主要支撐體，要求具有低壓縮性，高抗剪抗壓強(qiáng)度，以確保在水荷載等作用下面板變形不超過允許值，并具有自由排水性能，透系數(shù)大于10-2 cm/s，施工及運行期均不產(chǎn)生孔隙水壓力。料場開采堆石飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為46.50 MPa，滿足筑壩要求。顆粒級配要求滿足：最大粒徑為800 mm，小于5 mm顆粒含量≤20%，小于0.075 mm顆粒含量≤5%;壓實標(biāo)準(zhǔn)按相對密度Dr≥0.85控制，設(shè)計干密度≥2.15 t/m3，壓實后堆石的孔隙率≤20%，滲透系數(shù)>5×10-2 cm/s，并具有自由排水功能。

4.3 壩址區(qū)防滲處理

4.3.1 基礎(chǔ)開挖。由于堆石體和地基因承受庫水壓力而產(chǎn)生的應(yīng)力和變形主要分布在靠近上游三分之一范圍內(nèi)，余下三分之二范圍內(nèi)則較小。根據(jù)邵家水庫工程地質(zhì)情況，整個基面內(nèi)覆蓋層須全部清除，趾板基礎(chǔ)河床段可置于T1f鈣質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖弱風(fēng)化巖體中上部，兩肩則可將基礎(chǔ)置于T1f鈣質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖弱風(fēng)化巖體上部，建基面嵌深河床以下7～12 m左右，左岸嵌深7～11 m，右岸6～10 m，左岸嵌深稍大。并對整個建基面內(nèi)的風(fēng)化破碎帶、裂隙切割破碎帶的巖體采取適當(dāng)清挖后可滿足建基面要求。主、次堆石區(qū)應(yīng)進(jìn)行合理地分區(qū)開挖，其中低壓縮區(qū)應(yīng)清除強(qiáng)風(fēng)化帶破碎巖體及全部覆蓋層，將基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化中上部較完整的基巖上;主堆石區(qū)間應(yīng)清除強(qiáng)風(fēng)化破碎巖體及全部覆蓋層，將基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化上部;次堆石區(qū)則可清除表層殘坡積層、沖洪積層等及淺表部強(qiáng)風(fēng)化層破碎巖體，整平地基后基礎(chǔ)即可滿足壩體堆石承載要求。

4.3.2 壩基防滲處理。在趾板基礎(chǔ)開挖過程中，爆破震動可能使巖體松動，從而降低其承載力。為提高巖石的強(qiáng)度及完整性，需要對趾板基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿。邵家水庫設(shè)計大壩趾板基礎(chǔ)固結(jié)灌漿孔共2排，孔距為3 m、排距為3 m，按兩序孔施工，共計布置灌漿孔130個。其中：第1排固結(jié)灌漿孔布置于帷幕孔上游;第2排固結(jié)灌漿孔布置于帷幕孔下游，固結(jié)灌漿孔底界進(jìn)入基巖8 m，起灌高程為趾板頂部高程。同時，趾板基礎(chǔ)布置25錨桿，長4.5 m，間排距1.5 m，進(jìn)行梅花形布置。

5 結(jié)語

邵家水庫是畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)放珠集鎮(zhèn)重要的灌溉和供水工程，屬峽谷型水庫。壩址區(qū)地質(zhì)地形條件較復(fù)雜，存在軟質(zhì)巖承載力低、裂隙發(fā)育、抗變形能力差等不利地質(zhì)問題。為確保水庫大壩樞紐布置方案具有較高安全可靠性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合地質(zhì)勘探成果，設(shè)計優(yōu)選地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、施工技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)效益較高的混凝土面板堆石壩方案。并對樞紐布置和大壩結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行了詳細(xì)論證設(shè)計，可為工程安全可靠施工建設(shè)提供重要的技術(shù)指導(dǎo)。

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