獅子河水庫(kù)混凝土面板堆石壩樞紐布置及結(jié)構(gòu)計(jì)算

摘" 要：獅子河水庫(kù)建壩河段存在河床發(fā)育有逆斷層、地質(zhì)參數(shù)較低和巖體完整性差等不利地質(zhì)問(wèn)題。為確保樞紐布置具有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，該文結(jié)合地質(zhì)勘探揭露成果，圍繞壩型適應(yīng)性、樞紐布置合理性、壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)和壩基防滲處理等方面，對(duì)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究。論證結(jié)果表明，壩址區(qū)地質(zhì)條件不宜修建剛性壩，優(yōu)選的混凝土面板堆石壩壩型，可以充分利用當(dāng)?shù)囟咽希哂休^好的工程匹配性和地質(zhì)適應(yīng)性。研究成果可為巖溶地區(qū)水庫(kù)工程樞紐布置規(guī)劃及施工建設(shè)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：柔性壩；混凝土面板堆石壩；大壩樞紐；獅子河水庫(kù)；地質(zhì)勘探

中圖分類號(hào)：TV641.43" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）16-0126-04

Abstract： There are some unfavorable geological problems in the dam section of Shizihe Reservoir， such as reverse faults in river bed， low geological parameters and poor integrity of rock mass. In order to ensure the high technical economy of the hub layout， combined with the revealed results of geological exploration， the key technical problems of the design are studied around the adaptability of the dam type， the rationality of the hub layout， the structural parameters of the dam body and the anti-seepage treatment of the dam foundation. The demonstration results show that the geological conditions of the dam site are not suitable for the construction of rigid dams， and the optimized dam type of concrete face rockfill dam can make full use of local rockfill materials and has good engineering matching and geological adaptability. The research results can provide some reference for the layout planning and construction of reservoir project in karst area.

Keywords： flexible dam; concrete face rockfill dam; dam hub; Shizihe reservoir; geological exploration

水庫(kù)壩型比選和樞紐布置涉及到壩址區(qū)地形地質(zhì)條件、筑壩材料、施工技術(shù)和工程投資等問(wèn)題，優(yōu)選地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、工程匹配性好的壩型對(duì)水庫(kù)工程大壩樞紐布置及結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)尤為重要。獅子河水庫(kù)大壩地處貴州巖溶地區(qū)，逆斷層、低地質(zhì)參數(shù)和較差巖體完整性等不利地質(zhì)因素，是大壩壩型選擇的主要制約因素。本文優(yōu)選在貴州巖溶山區(qū)應(yīng)用較為廣泛的面板堆石壩及瀝青混凝土心墻壩2種壩型進(jìn)行比選分析，并對(duì)水庫(kù)大壩樞紐布置及結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行詳細(xì)論證計(jì)算，確保工程高效優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè)。

1" 工程概況

獅子河水庫(kù)位于盤州市雙鳳鎮(zhèn)的紅石巖村，西沖河左岸二級(jí)支流獅子河上[1]。工程區(qū)距離雙鳳鎮(zhèn)2 km，距盤州市縣城31 km，距離工程區(qū)下游1.5 km有盤州市至興義公路通過(guò)，壩址區(qū)左岸有鄉(xiāng)村公路通過(guò)，交通較為便利。工程的主要任務(wù)為以生態(tài)景觀用水為主兼顧防洪，為盤州舊城改造及生態(tài)旅游提供人工水面景觀，生態(tài)景觀供水量為300萬(wàn)m3/a，防洪保護(hù)人口105 200人。水庫(kù)正常蓄水位1 525.00 m，正常蓄水位以下庫(kù)容138萬(wàn)m3；校核洪水位1 527.11 m，總庫(kù)容162萬(wàn)m3；死水位1 504 m，死庫(kù)容43.4萬(wàn)m3，興利庫(kù)容94.6萬(wàn)m3，為Ⅳ等小（1）型工程。

2" 工程地質(zhì)及壩型比選

2.1" 工程地質(zhì)

獅子河水庫(kù)位于烏都河上游索橋河段左岸上游伏流獅子河上游河段上。庫(kù)區(qū)兩岸山體雄厚，河道總體呈“7”字狀發(fā)育，河曲發(fā)育，河槽寬3～5 m，兩岸階地發(fā)育，階地寬30～80 m，最寬約100 m，現(xiàn)狀為水田，河床低于階地1.5～2.5 m，溝底無(wú)明顯陡坎、深潭等現(xiàn)象，河流平均比降3.79%，庫(kù)區(qū)總體呈寬緩盆地地貌。庫(kù)區(qū)出露三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第一段（T2g1）：巖性為紫紅、黃綠等雜色薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等；三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第二段（T2g2）：巖性為灰、深灰色薄至中厚層狀灰?guī)r，泥質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r。岸坡殘坡積黏土夾碎石層厚0～6.5 m，河床砂卵石層厚3.5～6.0 m。順河床發(fā)育F4斷層構(gòu)，F(xiàn)4為逆斷層，膠結(jié)較好，對(duì)水庫(kù)影響小。地下水類型主要為基巖裂隙水、巖溶水及少量覆蓋層孔隙水；庫(kù)區(qū)兩岸地表分水嶺與地下分水嶺基本一致，兩岸地下水補(bǔ)給河水。庫(kù)區(qū)總體地形較陡，岸坡大部分基巖裸露，庫(kù)區(qū)岸坡大多為逆向坡和斜向坡，邊坡后緣未發(fā)現(xiàn)貫通性好的卸荷裂隙，未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。

2.2" 壩型比選

根據(jù)壩址區(qū)地形分析，1 525 m高程處河谷寬高比約5∶1，故不宜建拱壩。而壩址區(qū)左岸為軟～較軟巖，右岸為中硬巖，地質(zhì)參數(shù)較低，若修建重力壩，會(huì)導(dǎo)致重力壩體型過(guò)大；再者，由于重力壩對(duì)地質(zhì)要求較柔性壩高，而且河床發(fā)育有逆斷層，所以在地基處理這一塊導(dǎo)致的必然結(jié)果是投資增加，故不宜修建剛性壩。

工程區(qū)用于土石壩的建筑材料分布較多，運(yùn)距較近，滿足大壩填筑要求，壩線區(qū)地形地質(zhì)條件不存在限制性因素，適合修建柔性壩[2-3]。然而庫(kù)區(qū)內(nèi)土料相對(duì)缺乏，加上河床階地土料含水量過(guò)高，不宜作為防滲心墻材料或均質(zhì)筑壩材料；且施工過(guò)程中土料需要翻曬，受天氣影響較大，施工工藝繁瑣、工期較長(zhǎng)。因此，不宜修建黏土心墻壩及均質(zhì)土壩。

工程區(qū)右岸庫(kù)尾基巖裸露，巖層產(chǎn)狀345°∠45°～65°，巖層產(chǎn)狀傾向上游偏右岸，為斜向坡，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪和計(jì)算，可開采面積約3.71萬(wàn)m2，地表剝離層厚度約3.0" m，有用層平均厚度約30" m，有用層體積為111.3萬(wàn)m3，無(wú)高壓線路、引水管道或其他重要基礎(chǔ)設(shè)施，人為活動(dòng)稀少，施工干擾較??；結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)成果，巖石質(zhì)量和儲(chǔ)量均滿足修建面板堆石壩和瀝青混凝土心墻壩的要求。故主推面板堆石壩為代表壩型進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇瀝青混凝土心墻壩作為比選壩型進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1" 建筑物級(jí)別及設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)

獅子河水庫(kù)為Ⅳ等工程，面板堆石壩最大壩高42 m，瀝青混凝土心墻壩壩最大壩高40 m。2種壩型均為4級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)1 000年一遇，2種壩型防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致。

2.2.2" 地形地質(zhì)條件

壩址位于爛田壩上游河段，壩址段沖溝水流方向N50～80°W，左岸為凸出山脊地形，山脊海拔1 536 m，自然坡度30°左右，上、下游均為沖溝負(fù)地形，河床高程1 499.5 m，河床寬3～4.5 m，兩岸階地發(fā)育，河床低于階地1.0～2.0 m左右岸階地總寬約65 m，右岸山頂海拔1 647 m，自然坡度35°左右，水庫(kù)正常蓄水位對(duì)應(yīng)河谷寬約141.17 m，寬高比4.3∶1，總體呈基本對(duì)稱寬緩的“V”字型河谷地貌。從地形、地質(zhì)、施工條件及周圍天然建筑料場(chǎng)等綜合考慮，修建面板堆石壩及瀝青混凝土心墻壩2種壩型都是可行的。

2.2.3" 壩體結(jié)構(gòu)、施工條件及運(yùn)行維護(hù)

瀝青混凝土心墻一般設(shè)置混凝土底座與基巖或岸坡相連接，帷幕灌漿工作量較面板壩??；瀝青心墻屬柔性結(jié)構(gòu)，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，可以適應(yīng)壩體和基礎(chǔ)沉降變形而不產(chǎn)生裂縫；岸坡處理也較簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)和岸坡處理的范圍比堆石壩小的多，不存在陡峭岸坡的趾板高邊坡問(wèn)題。但壩基處理（固結(jié)、帷幕灌漿）與瀝青心墻的施工存在干擾，影響填筑速度；檢查漏水及修理補(bǔ)強(qiáng)比較困難，后期發(fā)現(xiàn)缺陷難以處理，由于瀝青混凝土心墻位于壩體內(nèi)部，心墻損壞或者由于施工質(zhì)量存在缺陷難以進(jìn)行修補(bǔ)，常規(guī)方法無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)并精確定位，鉆孔灌漿的方式修補(bǔ)瀝青混凝土心墻，需要鉆孔深度大，存在灌漿材料與壩體的瀝青混凝土較難結(jié)合的問(wèn)題。相反，面板堆石壩其受施工時(shí)的環(huán)境因素影響較小，面板壩較優(yōu)。

2.2.4" 工程量、投資及工期比較

從工程量看，面板壩樞紐工程土石方開挖量較瀝青混凝土心墻壩少63 092 m3，面板壩工期較瀝青混凝土心墻壩少2個(gè)月。面板壩主堆石料約7.75萬(wàn)m3，在工程區(qū)附近上游有適合面板壩主堆石料的料源，而瀝青混凝土心墻壩的填筑方量過(guò)大。經(jīng)投資概算比較，面板壩樞紐建筑工程投資比瀝青混凝土心墻壩少571.89萬(wàn)元。從主體工程的工程量、投資及工期上看，面板壩優(yōu)于瀝青混凝土心墻壩。

2.2.5" 綜合比較

根據(jù)上述綜合比較結(jié)果，2種壩型各有優(yōu)缺點(diǎn)，技術(shù)上均可行。但瀝青混凝土壩瀝青混凝土不僅運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，造價(jià)高，目前在貴州境內(nèi)尚未有成熟的施工單位和施工經(jīng)驗(yàn)，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，且投資較面板壩高。因此，優(yōu)選面板堆石壩作為獅子河水庫(kù)推薦壩型。

3" 大壩樞紐布置設(shè)計(jì)

3.1" 擋水建筑物

擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，軸線方位角為N7.19°E，壩頂總長(zhǎng)167.00 m，壩頂寬5.5 m（凈寬），壩頂高程1 528.50 m，最大壩高42.00 m。壩頂上游側(cè)設(shè)高2.85 m的“L”型C25鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻底部接面板頂部，面板頂部高程1 527.25 m，高于設(shè)計(jì)洪水位1 527.11 m（P=0.1%），防浪墻底部寬3.2 m。壩頂無(wú)交通要求，壩頂總寬7.0 m，防浪墻上游側(cè)檢修通道寬1.0 m，檢修通道內(nèi)側(cè)設(shè)高1.2 m的不銹鋼欄桿，防浪墻頂寬0.5 m，壩頂寬5.5 m。壩頂下游側(cè)300 mm×300 mm的C15混凝土排水溝，排水溝外側(cè)設(shè)高1.2 m的仿石材欄桿，壩頂為厚200 mm的C20混凝土路面，路面與壩體之間用碎石料回填。主堆石區(qū)采用料場(chǎng)灰?guī)r填筑，上游壩坡1∶1.4，次堆石區(qū)采用料場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)化中下部灰?guī)r開挖料填筑，下游壩坡為1∶1.4。

獅子河水庫(kù)混凝土面板堆石壩采用等厚面板，厚度為0.4 m，面板共17塊。面板上游依次為鋪蓋區(qū)（1A）、蓋重區(qū)（1B）；面板下游依次為墊層區(qū)（2A）（水平寬度3 m）、過(guò)渡區(qū)（3A）（水平寬度3 m）、主堆石區(qū)（3B）、次堆石區(qū)（3C）及下游護(hù)坡（3D）（厚50 cm）。根據(jù)面板自身分縫，面板與趾板、防浪墻，趾板與趾板間的接縫，可分為A型受拉垂直縫；B型受壓垂直縫；C型周邊縫；D型伸縮縫；E型水平縫5種接縫形式，具體見表1。

3.2" 泄水建筑物

根據(jù)地形地質(zhì)條件及河道走線，溢洪道布置于大壩壩身（靠右岸坡），軸線方位角N72.35°E，為開敞式溢洪道，由引渠段、控制段、泄槽段和出口消能段組成。其中，①引渠段：長(zhǎng)78.720 m（樁號(hào)為引0+000.000—引0+078.720），底板高程1 523.00 m，邊墻高0～6.5 m，采用C25鋼筋混凝土重力式結(jié)構(gòu)，底板采用厚1.0 m的C25鋼筋混凝土襯砌。②控制段：開敞式實(shí)用堰，長(zhǎng)5.320 m（樁號(hào)為引0+000.00—引0+005.320），緊接引渠末端，堰頂高程為1 525.00 m，為開敞式，共1孔，堰寬為8 m；左側(cè)設(shè)厚3.0 m、右側(cè)設(shè)置厚為2 m的C25鋼筋混凝土橋墩。溢流堰橋墩頂部設(shè)置C25鋼筋混凝土交通橋與壩頂銜接，交通橋橋面高程1 528.50 m，寬7.48 m，凈跨8.0 m，為現(xiàn)澆板梁結(jié)構(gòu)。③泄槽段：樁號(hào)為引0+000.000—引0+0 233.858 m，其中樁號(hào)0+007.480—0+024.580 m段為收縮段，收縮段起點(diǎn)寬度8 m，終點(diǎn)寬5 m，收縮角為5°。泄槽底板采用1.0 m的C30鋼筋混凝土澆筑，側(cè)墻高度2.5 m，厚度1.0 m，為C30鋼筋混凝土。泄槽每隔10 m設(shè)置一道結(jié)構(gòu)縫，縫寬0.02 m，縫處設(shè)置一道橡膠止水，距上游壩面0.15m，迎水面涂環(huán)氧砂漿，縫內(nèi)填塞瀝青油氈。④出口消能：由于地基巖性較差，為使下泄水流進(jìn)入河床，充分消能，減小下游河床的沖刷，保證兩岸坡的穩(wěn)定，從泄槽末端接消力池，泄槽與消力池采用圓弧連接，反弧半徑15.0 m，消力池底板高程1 488.00 m，底板厚2.0 m，長(zhǎng)25 m，寬5 m，邊墻高5.0 m，消力池深4.0 m，消力坎高程為1 492.00 m。消力池底板和邊墻均采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.3" 取水兼防控建筑物

根據(jù)地形地質(zhì)條件，現(xiàn)場(chǎng)左岸巖石破碎，加上左岸村寨較為集中，若取水放空建筑物布置在左岸不僅施工難度大，而且移民投資會(huì)增加，故取水兼放空隧洞布置在大壩右岸，由施工導(dǎo)流洞改造而成，分為進(jìn)水口和引水隧洞，進(jìn)口為岸塔式取水口。進(jìn)口底板高程1 509.0 m，進(jìn)口頂面和側(cè)面均采用橢圓曲線，方程為x2/15 002+y2/5002=1，進(jìn)口孔口尺寸1.5 m×1.5 m（寬×高），出口接引水隧洞，進(jìn)口設(shè)一扇攔污柵，攔污柵面積5 m2，取水口全長(zhǎng)8.85 m。進(jìn)水口淹沒深度3.5 m大于最小淹沒深度1.47 m，滿足進(jìn)水口不產(chǎn)生貫通式旋渦和不產(chǎn)生負(fù)壓的要求。引水隧洞接進(jìn)水口，洞內(nèi)敷設(shè)Φ800引水鋼管引水。隧洞采用城門洞形斷面，開挖斷面尺寸為3.5 m×3.0 m（高×寬），圓拱半徑R=1 555 mm，中心角149.10°，全斷面采用40 cm厚鋼筋混凝土襯砌，全長(zhǎng)383.363 m。引水隧洞內(nèi)敷設(shè)Φ800引水鋼管，采用Q235C鋼管，總長(zhǎng)405.0 m，壁厚10 mm，明管布置，支墩間距6 m，管道在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩。引水管與取水口漸變連接，在隧洞出口設(shè)置Φ300 mm的生態(tài)支管，放空管與生態(tài)管均采用閘閥控制。

4" 大壩結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

4.1" 壩頂高程

水庫(kù)校核洪水位為1 527.11 m（P=0.1%），設(shè)計(jì)洪水位為1 526.86 m（P=2%），正常蓄水位1 525.00 m。工程區(qū)多年平均最大風(fēng)速9.7 m/s；最大風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度0.6 km，與壩軸線夾角為87°。防浪墻頂高程計(jì)算成果見表2。

從表2可知，防浪墻頂高程由設(shè)計(jì)洪水位工況控制[4-5]，考慮在大壩上游設(shè)置防浪墻，并結(jié)合大壩溢流壩段交通橋主梁高1 m考慮，為保證梁底高于校核洪水位，則防浪墻頂部高程為1 529.50 m，防浪墻高取1.0 m，則壩頂高程為1 528.50 m。

4.2" 壩基處理

為提高趾板基礎(chǔ)的整體性，設(shè)計(jì)采用固結(jié)灌漿和帷幕灌漿進(jìn)行加固，并布設(shè)Φ25錨桿（共3排，長(zhǎng)4.5 m，間排距2.0 m）進(jìn)行錨固處理。固結(jié)灌漿孔共2排，排距3 m，孔距2 m，矩形布置，孔伸入基巖5 m。固結(jié)灌漿總進(jìn)尺為1 256 m。壩基斷層帶的趾板基礎(chǔ)處理方式采用挖填置換的方式，該方法即為將表層地基清除，然后用C15混凝土進(jìn)行填筑，如圖1所示。

根據(jù)壩基地質(zhì)條件、壩體高度并結(jié)合規(guī)范要求，壩高100 m以下的考慮帷幕灌漿布置為單排孔，孔距2.0 m。防滲帷幕面積：左岸1 939.83 m2、右岸1 836.08 m2、壩址5 030.95 m2。帷幕總進(jìn)尺6 170 m，其中有效進(jìn)尺4 414 m，無(wú)效進(jìn)尺1 756 m。

5" 結(jié)束語(yǔ)

獅子河水庫(kù)建壩河段存在河床發(fā)育有逆斷層，地質(zhì)參數(shù)較低和巖體完整性差等一些不利地質(zhì)問(wèn)題，合理進(jìn)行壩型比選及樞紐布置優(yōu)化是工程設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵。綜合考慮壩址區(qū)地形地質(zhì)、當(dāng)?shù)靥烊唤ㄖ牧稀误w結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)和工程投資等條件，設(shè)計(jì)優(yōu)選工程匹配性好、樞紐布置緊湊、可充分利用當(dāng)?shù)囟咽瞎?jié)省投資的面板堆石壩方案，為水庫(kù)工程高效優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè)提供了重要設(shè)計(jì)技術(shù)支撐。

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