碧湖水庫(kù)混凝土重力壩設(shè)計(jì)

李 明

(江西省水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程概況

碧湖水庫(kù)位于萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)白竺鄉(xiāng)會(huì)雙村境內(nèi)，洞庭湖水系湘江一級(jí)支流淥水支流麻山水中游河段。壩址控制流域面積164 km2，多年平均徑流量1.565億m3。水庫(kù)正常蓄水位184.00 m，死水位160.00 m， 50年一遇設(shè)計(jì)洪水位184.27 m，500年一遇校核洪水位186.60 m；水庫(kù)總庫(kù)容2178×104m3；是一座以城鎮(zhèn)供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用效益的中型水庫(kù)。

工程建成后：每年可向萍鄉(xiāng)市主城區(qū)、湘東區(qū)提供4530×104m3清潔飲用水源，解決遠(yuǎn)期萍鄉(xiāng)市主城區(qū)、湘東區(qū)城區(qū)、水庫(kù)下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活及部分水質(zhì)要求較高企業(yè)的用水需求，從而為湘東區(qū)城市建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展提供清潔優(yōu)質(zhì)的供水水源，使城市居民的生活用水質(zhì)量得到有效改善，人民群眾的健康水平得到明顯提高；作為灌溉水源，可改善壩址下游兩岸的源并石灌區(qū)0.15萬(wàn)hm2農(nóng)田灌溉，灌溉保證率可由60%～70%提高到85%；同時(shí)，碧湖水庫(kù)水力發(fā)電，對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。

2 工程總體布置

設(shè)計(jì)采用壩型為混凝土重力壩，消能采用挑流消能方式，發(fā)電、灌溉引水采用現(xiàn)有隧洞輸水，壩上新建供水取水口。

大壩左岸較右岸陡，現(xiàn)狀沒(méi)有交通，右岸壩址下游230 m以下段為相對(duì)平坦開(kāi)闊地，已布置有原碧湖水電站廠房、供水管線及進(jìn)場(chǎng)簡(jiǎn)易道路，因此，原碧湖水電站廠房保留，考慮投資及水庫(kù)運(yùn)行管理，碧湖水電站現(xiàn)狀引水隧洞保留，壩上新建供水取水口；溢流壩段布置于大壩中間，非溢流壩段布置在溢流壩兩側(cè)，取水口位于大壩右岸，中心線樁號(hào)為壩橫0+131.00；上壩公路布置在大壩上游右岸，與進(jìn)場(chǎng)道路連接；水庫(kù)管理區(qū)布置在大壩右岸。

本樞紐工程主要由混凝土重力壩、壩上取水口、消能等建筑物組成，壩軸線長(zhǎng)191.5 m，從左至右依次布置有：左岸非溢流壩段(長(zhǎng)92.5 m)、溢流壩段(長(zhǎng)34.0 m)、右岸非溢流壩段(長(zhǎng)65.0 m)。供水取水口布置于大壩右岸壩段，中心線樁號(hào)為壩橫0+131.0 m。溢流壩采用挑流消能，灌溉利用發(fā)電尾水。

3 大壩基本剖面設(shè)計(jì)

3.1 非溢流壩段

非溢流壩段壩頂高程為187.5 m，大壩基礎(chǔ)最低開(kāi)挖高程為127.0 m，最大壩高60.5 m，壩頂寬度取7.0 m，壩體最大底寬51.83 m，壩體上、下游均設(shè)置齒槽。壩上游面151.0 m高程以上采用垂直坡，151.0 m高程以下采用1∶0.2的邊坡，壩下游面179.5 m高程以上采用垂直坡，179.5 m高程以下采用1∶0.75的邊坡。非溢流壩段按9.0～19.5 m設(shè)置一橫縫，縫間設(shè)銅片及橡膠止水。壩內(nèi)設(shè)有基礎(chǔ)灌漿排水廊道，基礎(chǔ)灌漿排水廊道為城門洞型，斷面尺寸2.5 m×3.5 m(寬×高)，左右兩側(cè)分別設(shè)置交通廊道，出口設(shè)置在大壩下游靠岸坡處。

非溢流大壩上游面采用C9020W6混凝土防滲層，防滲層厚3.0 m，上游防滲層后采用C9015W4混凝土，下游臨水面采用C9020W6，厚3.0 m，堰體基底采用C9020W6，厚3.0 m。

3.2 溢流壩段

溢流壩段樁號(hào)范圍為0+092.5～0+126.5，坐落于微風(fēng)化巖石上，垂直水流方向長(zhǎng)34.0 m，順?biāo)鏖L(zhǎng)56.5 m，溢流總凈寬27.0 m，共設(shè)3孔，單孔溢流凈寬9.0 m。溢流壩基底高程127.0 m，堰頂高程178.0 m，閘墩頂高程187.5 m，最大壩高60.5 m，中墩厚2.0 m，邊墩厚1.5 m，閘頂布置液壓?jiǎn)㈤]機(jī)房，閘底板內(nèi)布置灌漿排水廊道。溢流壩工作門采用弧形鋼閘門，要求局部開(kāi)啟、動(dòng)水啟閉。

溢流壩堰面采用WES曲線，按冪曲線y=0.0878X1.85與下游1∶0.75壩坡相接，溢流堰原點(diǎn)上游用三圓弧與上游壩面相接。

溢流壩消能采用挑流消能方式，主壩溢流面與下游挑流鼻坎連接，挑流鼻坎高程為144.38 m，挑角18°，反弧半徑為18 m，將水流消能后挑射至下游河床。下游護(hù)坦長(zhǎng)30 m，底板高程132.50 m，底板混凝土厚度0.8 m，護(hù)坦兩側(cè)設(shè)重力式擋墻，護(hù)坦底板設(shè)φ70排水管，梅花形布置。

溢流壩灌漿排水廊道下游設(shè)滲漏集水井，集水井設(shè)置2臺(tái)WQ2210-417型自耦式安裝的潛水排污泵抽排廊道內(nèi)滲漏積水，灌漿排水廊道為城門洞型，底高程為135.00 m，斷面尺寸2.5 m×3.5 m(寬×高)，滲漏集水井?dāng)嗝娉叽?.5 m×3.5 m(寬×高)。

溢流壩堰面采用C40W6混凝土防沖耐磨層，厚2.0 m，堰體上游面采用C9020W6混凝土防滲層，防滲層厚3.0 m，上游防滲層后采用C9015W4混凝土，堰體基底采用C9020W6，厚3.0 m，閘墩混凝土采用C25W6，護(hù)坦混凝土采用C25W6。

4 壩基基礎(chǔ)處理

(1)壩基開(kāi)挖支護(hù)及地質(zhì)缺陷處理。壩基開(kāi)挖深度及形狀根據(jù)基巖等高線初步擬定，并根據(jù)樞紐布置和具體建筑物的設(shè)計(jì)要求加以調(diào)整修正。河床壩段，壩高60.5 m，根據(jù)巖體風(fēng)化特性及物理力學(xué)參數(shù)，大壩主要選取弱風(fēng)化下部及微風(fēng)化層作為壩基持力層，僅左、右壩頭選取弱風(fēng)化上部層作為持力層，河床開(kāi)挖深度約7 m；岸坡壩段挖成臺(tái)階狀，隨著壩高的不斷降低，利用基巖的標(biāo)準(zhǔn)也可逐漸下降，兩岸水平開(kāi)挖深度在11～21 m。壩基開(kāi)挖約10 m高差設(shè)置一開(kāi)挖平臺(tái)(馬道)，平臺(tái)寬度不小于2 m。壩基開(kāi)挖順序?yàn)橄壬喜亢笙虏浚劝镀潞蠛哟?，自上而下分層分臺(tái)階開(kāi)挖，為防止壩基巖石風(fēng)化，主壩基開(kāi)挖施工過(guò)程中應(yīng)預(yù)留保護(hù)層，做好基坑防護(hù)。

大壩建基面上出露的斷層F4、F5，為提高斷層帶的強(qiáng)度使其與周圍基巖相接近，減少壩體應(yīng)力集中和不均勻沉陷等，需對(duì)斷層作加固處理。F4、F5斷層規(guī)模小，寬僅0.6～0.7 m，處理方法考慮沿?cái)鄬訋ё鎏菪位炷寥_(kāi)挖寬度取斷層影響帶寬度再擴(kuò)大1 m，混凝土塞的深度取1.0 m，且在斷層影響范圍內(nèi)加大固結(jié)灌漿處理范圍。

(2)固結(jié)灌漿。為改善地基的均勻性，增強(qiáng)整體性，提高基礎(chǔ)承載能力，減小基礎(chǔ)壓縮變形等，需對(duì)壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔距、排距均為4 m，孔深深入基巖6 m。固結(jié)灌漿在混凝土蓋板澆筑后進(jìn)行。

(3)帷幕灌漿。壩基巖體屬中等～弱透水性，局部呈微透水性，左岸相對(duì)不透水層埋藏深度較淺，右岸則較深厚，壩基存在滲漏問(wèn)題，兩岸山坡地下水位均低于正常蓄水位，壩基表層存在中等透水層。為了減少壩基滲漏和繞壩滲漏，需對(duì)壩基、壩肩進(jìn)行帷幕灌漿[1]。

本工程大壩壩高為60.5 m，為中壩，壩高在50～100 m之間，帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)按q=3～5 Lu控制，因壩高接近50 m，故防滲標(biāo)準(zhǔn)按5 Lu進(jìn)行控制。帷幕底端進(jìn)入相對(duì)隔水層(巖石透水率q<5 Lu)以下5 m為下限控制深度。防滲帷幕深入岸坡一定長(zhǎng)度并與河床部位的帷幕保持連續(xù)性，左岸延伸到相對(duì)隔水層與正常蓄水位相交之處，右岸延伸50 m。防滲帷幕為單排，孔距2.0 m，孔深伸入相對(duì)隔水層界限5 m。

(4)排水。為了進(jìn)一步降低混凝土壩壩底滲透壓力，在帷幕灌漿廊道的下游設(shè)置一排排水孔，孔距為3 m，孔徑50 mm，孔深按帷幕深度的50%考慮。排水孔設(shè)在基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)。

5 設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 壩頂高程的確定

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)和《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)規(guī)定，壩頂高程應(yīng)不低于校核洪水位。壩頂高程=水庫(kù)靜水位+△h，△h由式(1)計(jì)算確定，選擇計(jì)算所得壩頂高程最大值作為最終選定的壩頂高程[2]。

△h=h1%+hz+hc

(1)

式中：△h為壩頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h1%為波高，m；hz為波浪中心線至正?；蛐：撕樗坏母卟?，m；hc為安全超高，本工程壩的安全級(jí)別為3級(jí)，正常蓄水位和校核洪水位下分別取0.4 m和0.3 m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 混凝土重力壩壩頂高程計(jì)算成果

根據(jù)以上計(jì)算成果，壩頂高程以校核洪水位加壩頂超高為最大值187.49 m，本階段取壩頂高程187.50 m。

5.2 大壩穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

5.2.1 非溢流壩段

非溢流壩為混凝土重力壩，河床壩段坐落在微風(fēng)化的板巖上，壩高60.5 m，左右岸壩頭部分坐落在弱風(fēng)化巖體上，壩高26.5 m，本次非溢流壩穩(wěn)定計(jì)算斷面分別選取最大壩高斷面及地質(zhì)條件較差斷面。

本工程為Ⅲ等工程，大壩為3級(jí)建筑物，根據(jù)規(guī)范SL 319—2018公式進(jìn)行重力壩應(yīng)力和穩(wěn)定計(jì)算，取單位寬度的混凝土重力壩段進(jìn)行計(jì)算，揚(yáng)壓力按重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，重力壩基礎(chǔ)進(jìn)行帷幕灌漿，設(shè)有排水，揚(yáng)壓力折減系數(shù)α值取0.25。

計(jì)算工況及荷載組合見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況及荷載組合

壩體穩(wěn)定和壩基應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表3，表4。

表3 溢流壩(最大壩高)穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算成果

表4 溢流壩(地質(zhì)條件較差)穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算成果

從計(jì)算結(jié)果可知，非溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范要求安全系數(shù)，故抗滑穩(wěn)定滿足要求，在各種荷載組合下，壩踵垂直應(yīng)力未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力小于壩基容許壓應(yīng)力([σ]=1.5或0.8 MPa)壩基應(yīng)力也滿足要求。

5.2.2 溢流壩段

溢流壩坐落在微風(fēng)化的板巖上，壩高60.5 m，穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 流壩穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算成果

從計(jì)算結(jié)果可知，溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范要求安全系數(shù)，故溢流壩段抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，在各種荷載組合下，壩踵垂直應(yīng)力未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力小于壩基容許壓應(yīng)力([σ]=2.0 MPa)壩基應(yīng)力也滿足要求。

5.3 水力計(jì)算

5.3.1 挑流消能計(jì)算

溢流壩采用挑流消能，消能防沖按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，采用30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，下泄流量790 m3/s，并驗(yàn)算在校核洪水位(下泄流量1400 m3/s)、設(shè)計(jì)洪水位(下泄流量876 m3/s)的消能情況，計(jì)算采用下列公式(2)～公式(4)[3]。

L=

(2)

(3)

h1=h/cosθ

(4)

式中：L為水舌拋距，m；v1為坎頂水面流速，m/s；θ為鼻坎的挑角，取θ=18°；h1為坎頂豎直方向水深，m；h2為坎頂至河床面高差，m；v為坎頂平均流速，m/s；φ為堰面流速系數(shù)，取0.96;H0為水庫(kù)水位至坎頂?shù)穆洳?，m；h為坎頂平均水深，m。

5.3.2 沖坑水墊厚度計(jì)算

最大沖坑處水墊厚度按下式(5)進(jìn)行計(jì)算：

tk=kq0.5H0.25

(5)

式中：tk為最大沖坑水墊厚度，m；k為基巖特性影響系數(shù)，取1.10；q為泄水建筑物出口斷面的單寬流量，m3/(s·m)；H為上、下游水位差，m。

溢流壩各種洪水頻率流量及消能特性見(jiàn)表6。

表6 同洪水頻率溢流壩消能特性

從表6看出，沖刷坑不會(huì)危及大壩的安全。

6 結(jié) 語(yǔ)

文章以碧湖水庫(kù)混凝土重力壩設(shè)計(jì)為例，闡述了混凝土重力壩設(shè)計(jì)的思路和方法，并對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括大壩基本剖面設(shè)計(jì)、壩基基礎(chǔ)處理、大壩穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核計(jì)算、消能計(jì)算等均進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，可為類似重力壩工程設(shè)計(jì)提供參考。