鳳岡惠民水庫(kù)混凝土砌石重力壩設(shè)計(jì)分析

張周亮

(江西省水投工程咨詢集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330096)

1 工程概況

鳳岡惠民水庫(kù)位于宜黃縣鳳岡鎮(zhèn)，距縣城8.0 km，壩址以上控制流域面積17.7 km2，水庫(kù)總庫(kù)容563.3萬m3，是一座以灌溉為主，兼顧供水等綜合利用的小(1)型水庫(kù)。

宜黃縣位于江西省中部偏東、撫州市南部，是全國(guó)煙葉生產(chǎn)重點(diǎn)縣，項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)無蓄水型水源工程，居民及附近群眾生活用水仍然是通過就近鉆井取水及從河溝提取，水源未經(jīng)凈化消毒處理，水質(zhì)存在隱患，嚴(yán)重影響人們的正常生活，危害居民的身體健康。新建水源工程后，可有效發(fā)揮調(diào)豐補(bǔ)枯作用解決區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)及生活用水問題，對(duì)促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收、實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要推動(dòng)作用；是保障人們身體健康、滿足人民群眾不斷增長(zhǎng)的物質(zhì)文化生活的需要，社會(huì)效益和環(huán)境效益顯著。因此，建設(shè)宜黃縣鳳岡惠民水庫(kù)水源工程是必要的。

通過對(duì)壩型的比選，工程最終選定C15混凝土砌石重力壩方案[1]，樞紐主要建筑物有：擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物等。

2 擋水建筑物設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)布置

非溢流壩布置在左右兩岸，與岸坡相接。左岸壩長(zhǎng) 66 m，右岸壩長(zhǎng)76.4 m。左岸非溢流壩分3個(gè)壩段，具體為1#壩段長(zhǎng)22 m(B0+000～B0+022)、2#壩段長(zhǎng)22 m(B0+022～B0+044)、3#壩段長(zhǎng)22 m(B0+044～B0+066)；右岸非溢流壩分3個(gè)壩段，具體為6#壩段長(zhǎng)26.4 m(B0+103.6～B0+130)、7#壩段長(zhǎng)25 m(B0+130～B0+155)、8#壩段長(zhǎng)25 m(B0+155～B0+180)；溢流壩分2個(gè)壩段，具體為4#壩段長(zhǎng)18 m(B0+066～B0+084)、5#壩段長(zhǎng)19.6 m(B0+084～B0+103.6)。

非溢流壩段為混凝土砌石重力壩，壩頂高程為149.20 m，壩頂寬度為4.0 m，壩底寬33.90 m，最大壩高45.2 m。上游壩面折坡點(diǎn)在高程130.00 m，以上為鉛直面，以下坡比為1∶0.15；下游壩面折坡點(diǎn)高程146.00 m，以上為鉛直面，以下坡比為1∶0.75。壩頂兩側(cè)設(shè)置1.1 m 高欄桿，壩頂C25混凝土路面厚0.2 m。壩體底部設(shè)0.5～2.0 m厚C15混凝土墊層。壩上游面設(shè)C25混凝土防滲面板，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W6，面板厚0.5～1.2 m，面板沿壩軸線方向與壩體分縫一致，縫寬15 mm，用瀝青杉板填充，1.5 mm厚紫銅片止水，表面配置Φ12 mm溫度鋼筋，縱橫間距0.20 m。

大壩靠上游側(cè)底設(shè)置灌漿排水廊道，廊道高程在112.00～135.20 m之間，廊道尺寸為2.5 m×3.5 m城門洞形，為混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

2.2 非溢流壩穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

(1)穩(wěn)定計(jì)算。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位為147.70 m，相應(yīng)下游水位為111.97 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，相應(yīng)校核洪水位為148.20 m，相應(yīng)下游水位為112.45 m，大壩穩(wěn)定分析以上述洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 非溢流壩段(3#、6#)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果

從抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表可看出，重力壩各計(jì)算截面在各種組合工況下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求[2]。

(2)壩基應(yīng)力計(jì)算。大壩應(yīng)力計(jì)算按《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 25—2006)規(guī)定，采用材料力學(xué)方法進(jìn)行，大壩屬中壩范圍，按規(guī)范要求，可只計(jì)算壩基截面上游點(diǎn)A和下游B的應(yīng)力。 計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 非溢流壩段(3#、6#)壩基截面A、B兩點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 kPa

按規(guī)范SL 25—2006壩體垂直正應(yīng)力要求：計(jì)入揚(yáng)壓力和不計(jì)揚(yáng)壓力兩種情況時(shí)，壩基面正應(yīng)力均小于砌體容許壓應(yīng)力；計(jì)入揚(yáng)壓力情況時(shí)，壩基面最小垂直正應(yīng)力為壓應(yīng)力。設(shè)計(jì)大壩混凝土砌石體標(biāo)號(hào)>40 MPa，依據(jù)規(guī)范SL 25—2006得，砌石體容許壓應(yīng)力為5.5 MPa。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，各截面的垂直正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砌體允許壓應(yīng)力及地基允許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

2.3 其余非溢流壩段穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

(1)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算。成果見表3。從抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表可看出，各溢流壩段在各種組合工況下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

(2)各截面上、下游邊緣應(yīng)力(即A、B兩點(diǎn)應(yīng)力)計(jì)算。結(jié)果見表4。

表3 其余非溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果

表4 其余非溢流壩段壩基截面A、B兩點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 kPa

從計(jì)算結(jié)果可以看出，各截面的垂直正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砌體允許壓應(yīng)力及地基允許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

3 泄水建筑物設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置

泄水建筑物采用壩頂表孔開敞式泄流方式，溢流壩段布置在大壩河床段，溢流段凈寬36 m，堰頂高程146.00 m。溢流面由頂部曲線段、中間直線段、下部反弧段組成，頂部曲線段與直線段、直線段與反弧段均相切[3]。頂部曲線為WES曲線，堰頂上游為1/4橢圓，橢圓方程為(X/0.58)2+[(0.33-Y)/0.33]2=1。堰頂下游段為WES曲線，堰頂最大水頭2.2 m，設(shè)計(jì)定型水頭采用2.0 m，WES曲線方程為：y=0.2774x1.85。

溢流壩出口采用挑流消能方式，鼻坎寬36 m，鼻坎頂高程114.48 m，挑角20°，反弧半徑8.0 m，堰頂至鼻坎頂高差31.52 m[4]。

堰面為80 cm厚C30混凝土，混凝土表面配溫度構(gòu)造筋。堰頂下游設(shè)交通橋，為現(xiàn)澆板梁式結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)36.6 m，分三跨，每跨長(zhǎng)度12.2 m，橋面寬4.0 m，板厚0.2 m，底下設(shè)三根主梁，斷面為0.35 m×1.0 m，間隔5.65 m設(shè)次梁，斷面為0.3 m×0.8 m。交通橋坐落于橋墩上，橋墩支撐于堰面上，厚度0.8 m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)1.8 m。

3.2 穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

(1)穩(wěn)定計(jì)算?？紤]到4#壩段與5#壩段對(duì)稱，本次選取4#壩段作為典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表5。

從抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表可看出，重力壩各計(jì)算截面在各種組合工況下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

表5 溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果

(2)壩基應(yīng)力復(fù)核。 各截面上、下游邊緣應(yīng)力，即A、B兩點(diǎn)應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表6。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，各截面的垂直正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砌體允許壓應(yīng)力及地基允許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4 引水建筑物設(shè)計(jì)

引水建筑物主要為灌溉兼供水管、放空管等。

4.1 灌溉兼供水管結(jié)構(gòu)布置

(1)結(jié)構(gòu)布置。為滿足下游現(xiàn)有農(nóng)田、煙田等共0.05萬hm2灌溉需求，同時(shí)兼顧水庫(kù)下游共1.2萬農(nóng)村居民的供水需求，在大壩左側(cè)非溢流壩壩內(nèi)布設(shè)供水管道，管中心線均垂直壩軸線(樁號(hào)B0+055.5)，管道進(jìn)口底板高程均為116.00 m，壩內(nèi)管長(zhǎng)為30.6 m，管徑為φ90 cm，管身采用12 mm 厚Q235鋼板，管外為60 cm厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

表6 溢流壩段壩基截面A、B兩點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 kPa

為保證供水的水質(zhì)及灌溉取水對(duì)水溫的要求，擬取近表層水，因此供水管進(jìn)口采用塔式分層取水的布置方式。在進(jìn)水塔的116.00 m、126.00 m及136.0 m高程處各布置一個(gè)1.0 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬)的進(jìn)水口，根據(jù)水庫(kù)水位變化進(jìn)行分層取近表層水。在每個(gè)分層取水孔口各設(shè)一道取水工作閘門，取水口為圓形喇叭口，半徑50 cm。進(jìn)水塔尺寸為6.0 m×9.1 m(長(zhǎng)×寬)，閘門檢修平臺(tái)高程為149.20 m，啟閉平臺(tái)高程153.20 m，設(shè)啟閉房以便管理運(yùn)行。

為保證現(xiàn)有農(nóng)田灌溉供水及補(bǔ)充下游生態(tài)基流，需另外布設(shè)專用管路。經(jīng)測(cè)算，灌溉需水量為0.594 m3/s，供水需水量為0.023 m3/s，生態(tài)基流量為0.0578 m3/s。取管內(nèi)流速約2 m/s，則選擇內(nèi)徑900 mm，壁厚12 mm的鋼管承擔(dān)補(bǔ)充基流及引水灌溉的任務(wù)。設(shè)計(jì)在供水引水管閘閥室后鋼管上接引供水鋼管及灌溉引水管，設(shè)閘閥控制放水。

(2)水力計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)庫(kù)水位降到死水位118.00 m時(shí)，鋼管最大過流為1.792 m3/s，大于灌溉、供水及生態(tài)基流的總和0.6748 m3/s，故內(nèi)徑900 mm的鋼管可以滿足下游引水要求[5]。

4.2 放空管結(jié)構(gòu)布置

放空管布置在大壩左側(cè)非溢流壩段(樁號(hào)B0+062.4)，主要起放空庫(kù)水位，兼顧補(bǔ)充下游生態(tài)基流作用，同時(shí)施工期間可用于導(dǎo)流。進(jìn)口底板高程按112.00 m，孔中心垂直壩軸線布置?？變?nèi)徑為φ120 cm，孔身采用12 mm厚Q235鋼板內(nèi)襯，管外為60 cm厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)口為圓形喇叭口，半徑50 cm。進(jìn)口設(shè)事故檢修閘門一扇，出口采用閘閥控制，閘門檢修平臺(tái)高程為149.20 m，啟閉平臺(tái)高程153.20 m，設(shè)啟閉房以便管理運(yùn)行。

5 結(jié) 語

混凝土砌石重力壩具有投資低、施工工藝簡(jiǎn)單、施工質(zhì)量易控制、施工進(jìn)度快等優(yōu)勢(shì)，且工程區(qū)附近石料儲(chǔ)藏豐富，開采方便，石料質(zhì)量較好，適宜建造各種砌石壩，混凝土砌石重力壩使壩體的均勻性、密實(shí)度和防滲性能以及允許應(yīng)力指標(biāo)等均較漿砌石大為提高，故鳳岡惠民水庫(kù)水源工程采用混凝土砌石重力壩壩型。

為確保大壩施工期及運(yùn)行期的安全，文章對(duì)大壩擋水建筑物、泄水建筑物以及引水建筑物等結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了詳細(xì)的復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，為工程的安全施工及后期安全運(yùn)行奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，值得借鑒與參考。