官山水庫(kù)堆石重力壩樞紐布置及穩(wěn)定性分析

鄧文強(qiáng)

(貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

官山水庫(kù)位于貴州省安龍縣龍山鎮(zhèn)境內(nèi)，距安龍縣城44km。水庫(kù)所在的丫科小河，屬珠江流域北盤(pán)江水系。丫科小河伏流口以上流域33.5km2，主河道長(zhǎng)11.5km。水庫(kù)總庫(kù)容446萬(wàn)m3，首部樞紐主要由擋水、泄洪、取水和沖沙兼放空等建筑物組成，為小(1)型水庫(kù)。水庫(kù)的建設(shè)可以解決安龍縣龍山鎮(zhèn)、篤山鎮(zhèn)總?cè)丝?8810人的飲水問(wèn)題和9308畝田地灌溉用水問(wèn)題，可以增加農(nóng)民收入，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

建壩河段位于丫科村納傲組，壩址處河流流向西北至東南，蜿蜒曲折，河谷為不對(duì)稱(chēng)“U”形谷，屬于侵蝕—?jiǎng)兾g低中山地貌。兩岸坡地形坡度20°～30°，山頂高程左岸1437.00m、右岸1390.00m，兩岸山頭高出河床194～240m，覆蓋層分布于低洼溝谷中。河床高程1195.00～1198.00m?？菟诤哟矊捯话?～10m，正常蓄水位1211.50m時(shí)河谷寬79.57m，其寬高比為4.82。兩岸沖溝較發(fā)育，多呈西南至東北向展布。壩區(qū)出露地層為三疊系上統(tǒng)賴(lài)石科組第二段(T3ls2)和第四系殘坡積、沖洪積層。壩址河谷為斜向谷，地層分布連續(xù)，巖層產(chǎn)狀單斜構(gòu)造，巖層斜向上游偏左，傾角16°。巖石表層節(jié)理裂隙較發(fā)育，隨深度的增加而逐漸完整。強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙發(fā)育，球狀風(fēng)化，完整性差，巖體呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，部分呈散體狀結(jié)構(gòu)，在弱風(fēng)化帶，裂隙閉合不發(fā)育，呈層狀結(jié)構(gòu)。巖體中存在軟弱夾層結(jié)構(gòu)面，夾層厚2～10cm，屬巖塊巖屑型，局部為泥質(zhì)條帶。壩址區(qū)地下水分為基巖裂隙水和孔隙水兩類(lèi)。

3 壩線(xiàn)壩型分析比選

3.1 壩線(xiàn)比選

根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘及地質(zhì)測(cè)繪，綜合勘探及試驗(yàn)資料分析[1-3]，優(yōu)選兩條壩軸線(xiàn)進(jìn)行研究，即：壩線(xiàn)位于丫科村納傲組，上壩線(xiàn)距下壩線(xiàn)約265m。上、下壩線(xiàn)其電氣、金結(jié)、觀測(cè)等基本相同。因此，壩線(xiàn)選擇主要考慮水文條件、地質(zhì)條件、樞紐布置、移民搬遷、施工條件及邊坡5個(gè)方面進(jìn)行綜合比較。

3.1.1 水文條件

上壩線(xiàn)壩址以上集雨面積12km2，多年平均徑流量738萬(wàn)m3；下壩線(xiàn)壩址以上集雨面積13.1km2，多年平均徑流量806萬(wàn)m3。同等規(guī)模下，下壩線(xiàn)集雨面積較大，來(lái)水量更大，下壩線(xiàn)優(yōu)于上壩線(xiàn)。

3.1.2 工程地質(zhì)條件

上壩線(xiàn)河谷為不對(duì)稱(chēng)“U”形谷，河床寬約8m。建庫(kù)后蓄水位1212.3m時(shí)河谷寬約180m，高約15m，河谷寬高比10.7，右壩肩下游分布有河谷，河谷與壩線(xiàn)交角較小；主要處在第三亞段(T3ls2-2)：頁(yè)巖、砂巖，砂巖所占比例約10%～20%；河床沖洪積砂卵石層厚0～1.0m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度3～9m，弱風(fēng)化層厚度18～35m；岸坡殘坡積覆蓋層厚度0～4.0m；無(wú)崩塌堆積體分布，右岸下游有與壩線(xiàn)小交角河谷分布，抗力巖體風(fēng)化厚度大。壩址開(kāi)挖覆蓋層與強(qiáng)風(fēng)化層較厚，工程邊坡失穩(wěn)問(wèn)題突出。下壩線(xiàn)河谷為不對(duì)稱(chēng)“U”形谷，河床寬約15m。建庫(kù)后正常蓄水位1211.5m時(shí)河谷寬約89m，高約16m，河谷寬高比5.6，左壩肩下游河谷與壩線(xiàn)斜交；主要處在第二亞段(T3ls2-2)：砂巖、頁(yè)巖，砂巖所占比例約70%～85%；河床沖洪積砂卵石層厚0～0.8m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度1.0～6m，弱風(fēng)化層厚度11～16m；岸坡殘坡積覆蓋層厚度0～2.0m；無(wú)崩塌堆積體分布，抗力巖體風(fēng)化厚度大。壩址開(kāi)挖覆蓋層與強(qiáng)風(fēng)化層相對(duì)較薄，左壩肩分布少量危巖體。從地形、持力層、風(fēng)化狀況、不良物理地質(zhì)現(xiàn)象等方面分析，下壩線(xiàn)均優(yōu)于上壩線(xiàn)。

3.1.3 樞紐布置

上壩線(xiàn)壩軸線(xiàn)長(zhǎng)274.18m，壩頂高程1215.30m，最大壩高36.00m；壩軸線(xiàn)長(zhǎng)159.69m，壩頂高程1213.20m，最大壩高24.6m。下壩線(xiàn)優(yōu)于上壩線(xiàn)。

3.1.4 移民搬遷

上壩線(xiàn)淹沒(méi)面積為1086.73畝，移民搬遷人口為336人；下壩線(xiàn)淹沒(méi)面積為1037.754畝，移民搬遷人口為240人。下壩線(xiàn)優(yōu)于上壩線(xiàn)。

3.1.5 施工條件及邊坡

上壩線(xiàn)右岸邊坡高24.85m，左岸邊坡高32.76m；兩壩肩邊坡較高，施工難度及工程量較大；下壩線(xiàn)右岸邊坡高19.92m，左岸邊坡高12.99m；兩壩肩邊坡較低，施工難度及工程量較小。下壩線(xiàn)優(yōu)于上壩線(xiàn)。

從水文、地質(zhì)、移民安置、水工、施工及邊坡5個(gè)方面進(jìn)行綜合比較，下壩線(xiàn)均優(yōu)于上壩線(xiàn)。下壩線(xiàn)左右岸地形完整，左右岸地形為不對(duì)稱(chēng)“U”形河谷，巖溶不發(fā)育，屬于隔水性巖組，無(wú)構(gòu)造破壞，蓄水條件好，優(yōu)選下壩線(xiàn)作為官山水庫(kù)壩線(xiàn)。

3.2 壩型比選

壩址區(qū)具備修建堆石壩和重力壩的基本條件，但堆石壩永久占地投資要比重力壩高，重力壩方案較優(yōu)[4]。工程實(shí)踐中重力壩主要包括常規(guī)混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩、混凝土埋石重力壩、砌石重力壩和堆石混凝土重力壩等類(lèi)型。

壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面：五種壩型基本相當(dāng)。

工程區(qū)建筑材料方面：砂石料場(chǎng)位于水庫(kù)下游東南面，距壩址直線(xiàn)距離約8.5km，質(zhì)量和儲(chǔ)量均能滿(mǎn)足以上壩型建壩需求，有公路直通壩址，交通條件較好。

施工條件方面：常規(guī)混凝土重力壩對(duì)施工機(jī)械化要求相對(duì)更高，同時(shí)其施工全程溫控要求較為嚴(yán)格，不適宜小規(guī)模重力壩。

投資指標(biāo)和施工進(jìn)度方面：砌石重力壩人力投入較大，施工進(jìn)度相對(duì)較慢，且人工費(fèi)用較高。堆石混凝土重力壩的施工不僅能很好利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧弦约笆┕C(jī)械等，施工工藝及工序相對(duì)簡(jiǎn)單、人工費(fèi)用少，施工進(jìn)度較快，而且施工溫控、質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收較為簡(jiǎn)單[5-7]。

鑒于官山水庫(kù)工程規(guī)模不大，對(duì)施工機(jī)械化及溫控要求均不高，同時(shí)為了充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?，方便工程管理及合理安排施工進(jìn)度，結(jié)合工程特性，設(shè)計(jì)優(yōu)選C15自密實(shí)混凝土堆石重力壩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)堆石重力壩)與C15細(xì)石混凝土砌毛石重力壩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)砌毛石重力壩)作為重力壩的代表壩型作進(jìn)一步比選，比選結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 堆石重力壩和砌毛石重力壩壩型對(duì)比

從表1可知，堆石重力壩雖較砌毛石重力壩費(fèi)用高26.53萬(wàn)元，但其所用人工少1.81萬(wàn)工日。為方便施工管理，保證施工進(jìn)度，減少后期管維費(fèi)用，優(yōu)選堆石重力壩壩型。

4 堆石重力壩樞紐布置

4.1 擋水建筑物

大壩為C15自密實(shí)混凝土堆石重力壩，壩軸線(xiàn)方位角38°18′9″，頂長(zhǎng)159.69m，壩頂高程1213.20m，最大壩高24.6m，壩頂寬度5.0m；壩頂上游面設(shè)C25鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻為直墻，厚0.5m，高出壩頂1.2m，頂部高程1214.40m；壩頂下游面設(shè)C20預(yù)制混凝土欄桿，欄桿高1.2m；建基面高程1188.60m，壩底寬41.97m；上游壩面設(shè)C25W4F100鋼筋混凝土防滲面板，折坡點(diǎn)高程1204.20m以上鉛直，厚0.8m，折坡點(diǎn)以下迎水面坡比為1∶0.2，背水面為1∶0.1，防滲面板最大底寬為2.51m；下游壩面折坡點(diǎn)高程1210.50m，以上鉛直，以下坡比1∶0.8；基礎(chǔ)C20混凝土墊層，厚1.5m，最大水平寬度23.28m。

4.2 泄洪建筑物

壩頂表孔開(kāi)敞式溢洪道布置在壩頂樁號(hào)壩橫0+087.50～壩橫0+123.30之間，溢流壩段總寬度35.5m，堰頂高程為1211.50m，溢流堰4孔，凈寬28m，堰上最大水深為1.4m，設(shè)置5.0m寬交通橋，邊墩厚為1.5m，中墩厚為1.5m，底流消能。

4.3 取水建筑物

取水建筑物布置在大壩右壩段，軸線(xiàn)中心樁號(hào)壩橫0+076.30，采用塔式取水口形式，進(jìn)口底板高程1200.79m，設(shè)攔污柵、檢修閘門(mén)和工作閘閥，孔口尺寸為b×h=0.8m×0.8m，塔身平切截面尺寸B×L=5m×7m，塔頂高程1213.20m；在塔內(nèi)埋DN200螺旋焊縫鋼管作為通氣管，位于檢修閘門(mén)后，與取水管焊接連通。

4.4 沖沙兼放空建筑物

沖沙兼放空孔采用壩內(nèi)穿孔形式，軸線(xiàn)中心樁號(hào)壩橫0+084.30m，進(jìn)口底板高程1197.50m，頂板高程1199.00m。進(jìn)口設(shè)平板檢修閘門(mén)、出口設(shè)弧形工作閘門(mén)，在塔內(nèi)埋DN300螺旋焊縫鋼管作為通氣管。出口設(shè)挑流消能工，反弧半徑2.9m，挑角15°，挑射鼻坎頂高程1197.5m，最大挑射距離19.76m，挑流入下游消力池。設(shè)計(jì)最大沖沙放空流量24.3m3/s。

5 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 壩頂高程確定

官山水庫(kù)校核洪水位為1212.90m，設(shè)計(jì)洪水位為1212.50m，正常蓄水位為1211.50m。按《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)，壩頂上游防浪墻頂?shù)母叱虘?yīng)高于波浪頂高程，計(jì)算得到的防浪墻頂高程成果見(jiàn)表2。

表2 防浪墻頂高程計(jì)算成果

根據(jù)表2計(jì)算成果，以校核洪水位控制壩頂高程[8-9]，防浪墻高程應(yīng)大于等于1213.98m。另外，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)，交通橋橫梁底部高程應(yīng)高于水庫(kù)校核洪水位0.3m，即橫梁底部高程1213.20m，由此確定壩頂高程1213.20m，相應(yīng)防浪墻頂高程1214.40m。兩者取大值，最終確定壩頂高程1213.20m，防浪墻頂高程1214.40m。

5.2 大壩應(yīng)力及穩(wěn)定性分析

5.2.1 壩體應(yīng)力分析

壩體應(yīng)力按材料力學(xué)法進(jìn)行計(jì)算，成果見(jiàn)表3。

表3 壩體應(yīng)力復(fù)核成果 單位：MPa

從表3可知大壩基底均為壓應(yīng)力，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力滿(mǎn)足地基承載力要求。

5.2.2 壩體抗滑穩(wěn)定分析

官山水庫(kù)淤沙浮重度16.5kN/m3，內(nèi)摩擦角15°；壩體重度按23.5kN/m3計(jì)；揚(yáng)壓力折減系數(shù)α1=0.25。

a.壩基淺層抗滑穩(wěn)定。壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要核算壩基面滑動(dòng)條件[10]，按《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 25—2006)中的抗剪斷強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，成果見(jiàn)表4。

表4 壩基淺層抗滑穩(wěn)定分析成果

b.壩基深層抗滑穩(wěn)定。壩基深層滑動(dòng)模式以①組裂隙走向橫穿河谷，與壩軸線(xiàn)走向以6°角相交。②組裂隙走向斜穿河谷，與壩軸線(xiàn)走向以52°角相交。③組節(jié)理走向與壩軸線(xiàn)以80°角相交。巖層緩傾左岸偏上游。大壩深層滑動(dòng)模式Ⅰ以①組裂隙為后緣拉裂面，②、③組裂隙為側(cè)向切割面，以剪斷巖體為底滑面，向下游巖層層面滑動(dòng)?；瑒?dòng)模式Ⅱ以①組裂隙為后緣拉裂面，②、③組裂隙為側(cè)向切割面，以剪斷巖體為底滑面，向下游剪斷巖體。壩基深層滑動(dòng)模式見(jiàn)圖1。

圖1 壩基深層滑動(dòng)模式

分析得到的大壩壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 壩基深層抗滑穩(wěn)定分析成果

6 結(jié) 論

官山水庫(kù)壩址處于河灣地帶，巖層傾向上游偏左岸，傾角為16°。壩基砂巖持力層巖體中存在軟弱夾層及結(jié)構(gòu)面，厚2～10cm，屬巖塊巖屑型、巖屑夾泥型，沿巖層產(chǎn)狀順層發(fā)育，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定不利。經(jīng)壩基固結(jié)灌漿和帷幕防滲等處理后，具備建庫(kù)蓄水條件。鑒于水庫(kù)工程規(guī)模不大，對(duì)施工機(jī)械化及溫控要求均不高，設(shè)計(jì)優(yōu)選地形地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、施工工期短和后期管維費(fèi)用低的下壩線(xiàn)堆石重力壩方案。分析表明：在不同運(yùn)行工況條件下，大壩整體應(yīng)力表現(xiàn)良好，壩基抗滑穩(wěn)定滿(mǎn)足規(guī)范要求。