馮建江

（貴州省黔西南州水利電力勘測設計院，貴州 興義 562400）

貴州晴隆三塊田水庫混凝土砌石重力壩設計分析

馮建江

（貴州省黔西南州水利電力勘測設計院，貴州 興義 562400）

貴州晴隆三塊田水庫是一座以灌溉為主，兼顧供水的綜合工程。通過對地質(zhì)條件和工程特性的分析，采用在原壩址新建混凝土砌石重力壩的方案。分析了混凝土砌石重力壩的結(jié)構構造，探討了其結(jié)構的優(yōu)化設計措施。

貴州晴?。蝗龎K田水庫；砌石重力壩；結(jié)構布置；優(yōu)化設計

1 工程概況

三塊田水庫位于貴州省晴隆縣東北部的長流鄉(xiāng)長流村境內(nèi)，河流屬珠江流域北盤江一級支流長流小河上游河段。水庫任務以灌溉為主，供水為輔。設計灌溉面積為100 hm2，主要分布在長流鄉(xiāng)的長流和西流2個村。供水主要以長流鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民為主。水庫校核洪水位為1 272.60m，總庫容為24.6萬m3，正常蓄水位為1 271.50m，相應庫容為20.4萬m3?！端姽こ痰燃墑澐旨昂樗畼藴省罚⊿L252-2000）規(guī)定，水庫總庫容大于10萬m3小于100萬m3時，為小（2）型水庫，工程等別小于V等［1～2］。

原壩址地形為不對稱的“V”型谷。大壩填筑后，左右岸坡較緩，邊坡穩(wěn)定，多年來未見破壞現(xiàn)象。壩區(qū)一帶出露地層為中生界三疊系中統(tǒng)關嶺組（T2g1）地層，地貌具有巖溶地貌特征，整體具有山盆期地貌特點。出露地層巖性為灰色薄至中厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖夾少量紫色薄層泥巖。白云巖為灰色，巖質(zhì)較硬，巖石完整，巖芯柱狀；泥質(zhì)白云巖為灰色，巖質(zhì)較硬，巖石較完整，巖芯呈塊狀和短柱狀；紫色薄層泥巖巖質(zhì)較軟，巖石較完整，巖芯呈塊狀和短柱狀。根據(jù)鉆探情況，原大壩建于強風化層上，壩基和壩肩存在滲漏現(xiàn)象，需進行防滲帷幕灌漿處理［3］。另外，壩體表面也有沉降現(xiàn)象。為了滿足灌溉和供水要求，需對原壩進行除險加固或另建新壩。

受地形條件限制，原壩址上下游均寬緩，加之地質(zhì)條件較復雜，不適宜大壩建設。于是，考慮在原有壩區(qū)進行方案優(yōu)化，即，對原壩進行增高擴建，或在原壩址上新建一擋水壩。老壩壩體填筑材料物理力學指標偏低，滲透率較強，防滲較差，若進行加高擴建，壩體穩(wěn)定性較差，滲漏嚴重。另外，土壩壩頂不能過流，還需設置泄洪洞。經(jīng)綜合考慮，決定撤除老壩壩體，新建一擋水壩。

漿砌石壩具有施工技術簡單、施工度汛風險小、施工工期受天氣影響小、工程造價低等優(yōu)點。從壩址區(qū)的地形地貌和地質(zhì)情況看，壩址區(qū)基巖出露，巖性以白云巖和泥質(zhì)白云巖為主，左壩肩上部約300m處有白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r出露，其質(zhì)量和儲量以及地基承載力均能滿足工程需要，取料也較容易，施工難度也較小，適宜修建漿砌石重力壩。同時，可以在壩上修建溢流面，充分利用漿砌石重力壩壩身泄洪的優(yōu)點［4］。所以，該工程選用了混凝土漿砌石重力壩。

2 混凝土漿砌石重力壩結(jié)構布置

2.1 混凝土漿砌石重力壩樞紐平面布置

三塊田水庫樞紐由漿砌石重力壩、大壩中部溢洪道、右岸取水兼放空管等組成，樞紐平面布置如圖1所示。

2.2 主要水工建筑物設計

2.2.1 擋水建筑物

大壩壩軸線位于原壩軸線上，壩頂高程為1 273.50m，壩頂寬為5m，壩底寬為31.0m。右岸非溢流壩段樁號為0＋000～0＋051.5，溢流壩段樁號為0＋072.5～0＋080.5；左岸非溢流壩段樁號為0＋080.5～0＋116.9，上游壩坡1273.50～1259.00m高程為垂直段，1 259.00～1246.50m高程為1∶0.2；下游壩坡1 273.50～1 270.74m高程為垂直段，1 270.74～1 246.50m高程為1∶0.8。上游側(cè)用M10.0漿砌C10混凝土預制塊護面，防滲墻混凝土強度等級為C20W6。防滲墻嵌入基巖1～1.5m，厚度為1／30～1／20倍水頭，底厚1.5m，頂厚0.5m。壩體內(nèi)部采用C10混凝土砌毛石。為充分降低兩岸巖體和地基中的地下水和揚壓力［5］，在防滲帷幕的下游2.5m處設置壩基排水。

圖1 漿砌石重力壩樞紐平面布置Fig.1 Plane of masonry gravity dam junction

2.2.2 溢洪道

溢洪道布置于大壩中部，樁號為0＋072.5～0＋80.5。溢流堰采用WES型實用堰，堰面方程為y＝0.362x1.85，堰頂高程為1 271.5m，邊墩厚1.5m，溢流前沿寬5m。堰面采用1∶0.8的斜坡相連，反弧半徑R＝7m。出口采用挑流消能，挑流鼻坎最低點高程為1 256.16m，挑流鼻坎高程為1 257.00m，挑角為20°，最大下泄流量為12.8m3／s。為防止水流對溢洪道的沖刷，使溢洪道能滿足抗沖要求，溢洪道溢流面板采用C20鋼筋混凝土澆筑。挑流段至消力池底板開挖到設計高程后，在基巖面上現(xiàn)澆C20混凝土防沖，每隔10m設一溫度伸縮沉降縫。導水邊墻采用C20鋼筋混凝土澆注而成。

2.2.3 取水兼放空管

取水口位于壩體右側(cè)，壩軸線樁號為0＋36.5，底板高程為1259.21m。取水形式為壩內(nèi)埋管（壩內(nèi)埋管管長35m），取水管管徑為φ800。在取水管進口設置攔污柵及檢修閘門，取水管出口設φ800工作閘閥。

放空沖沙底孔布置在壩體中部，壩軸線樁號為0＋51.5，進口底板高程為1 258.00m，閘門井形式為塔式。沖沙底孔進口設一道檢修鋼閘門和一道工作鋼閘門，閘門井外包C20鋼筋混凝土（尺寸為6m× 6m）。底孔斷面形式為矩形，孔口尺寸為1.0m×1.0 m（b×h）。底孔采用C20鋼筋混凝土澆注而成，混凝土厚為0.5m，最大沖沙流量為2.8m3／s。

3 混凝土漿砌石重力壩結(jié)構優(yōu)化設計計算

3.1 大壩壩頂高程

三塊田水庫設計洪水位為 1 272.60 m （P＝0.5%），最大下泄流量為12.8m3／s，校核洪水位（P＝5%）為1272.30m，最大下泄流量8.28m3／s，水庫總庫容為24.6萬m3。根據(jù)來水及用水調(diào)節(jié)計算，水庫正常蓄水位為1271.5m，溢流堰頂高程與正常高水位一致。計算風速正常情況取W＝21m／s，校核情況取W＝14m／s，計算吹程D＝300m。按正常運用情況和非正常運用情況［5］分別計算，得壩頂高程如表1所示。

表1 壩頂高程計算成果表Table 1 Dam crest elevation calculation results

由表1可知，校核洪水位情況下，防浪墻頂高程為1274.10m，設計洪水位防浪墻頂高程為1274.50 m。根據(jù)規(guī)范，壩頂高程不低于校核洪水位。經(jīng)比較，取壩頂高程為1 273.50m，防浪墻頂高程為1 274.70m，防浪墻高1.2m。防浪墻采用C10混凝土澆筑，頂寬0.5m，底寬0.5m，總長為117.0m。

3.2 大壩壩體結(jié)構穩(wěn)定計算

大壩上下游邊坡均較緩，膠凝材料為C10細石混凝土，砌體材料為塊石，單塊石重不小于25 kg，最小尺寸不小于20 cm，砌體容重為2.23 t／m3，淤沙浮容重為8 kN／m3，內(nèi)摩擦角為10°。河床段揚壓力折減系數(shù)α1＝0.25，岸坡段揚壓力折減系數(shù)α2＝0.35，抗剪斷摩擦系數(shù)f′＝0.78，凝聚力C′＝0.4。由于砌體自身重量較大，結(jié)構也較緊密，故該大壩無沿砌體本身滑動的可能。沿墊層混凝土（地基）與基礎接觸面的滑動不考慮。因此，壩體抗滑穩(wěn)定最薄弱的環(huán)節(jié)只有沿壩身與墊層混凝土（地基）接觸面。進行抗滑穩(wěn)定計算時，主要考慮沿漿砌石體與墊層混凝土接觸面的滑動。采用剛體極限平衡法進行穩(wěn)定性分析［6］，計算成果如表2和表3所示。

表2 大壩壩體結(jié)構穩(wěn)定計算成果表Table 2 Dam body structure stability calculation results

表3 大壩壩體應力計算成果表Table 3 Dam body stress calculation results

表2和表3可知，大壩穩(wěn)定計算安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的1.05，壩體應力不會發(fā)生塑性破壞的，壩體是安全的。

3.3 壩體帷幕灌漿防滲處理

根據(jù)壩區(qū)滲漏的具體情況、巖性及鉆孔壓水試驗成果，建議帷幕線左壩肩沿壩址至右壩肩布置，左壩肩長15m，右壩肩長15m。單排布孔，兩壩肩終孔間距為3m，壩基段終孔間距為2m。在斷層破碎帶，終孔間距為1.5m。壩基帷幕深度以達到弱風化層內(nèi)呂榮值不大于8 Lu為限，左、右壩肩帷幕以穿過強風化層呂榮值不大于10 Lu為下限，部分地段以巖性控制帷幕下限。另設6個檢查補強孔（未計入工程量），合計進尺2 079m，基巖灌漿1 933m，無效進尺146m。造孔和灌漿分三序次進行，一序孔終孔間距為12m，二序孔終孔間距為6m，三序孔終孔間距為3m，灌漿采用自上而下，分段灌注的方法，并采用孔底循環(huán)的方式。灌漿材料基巖選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥。整個灌漿工藝應符合《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》（DL／T5148-2001）。孔口壓力表控制在0.4～0.6MPa，當單位吸漿量較小時，可采用一次加壓，或讓其自行升壓。若由于壓力較大，而出現(xiàn)地表冒漿，孔口返漿或單位吸漿量突然增大等情況，則適當降低壓力。壓力達到設計值后，當注入率不大于0.4 L／min，持續(xù)60min不變，則可結(jié)束灌注。當吸漿量較大，超過規(guī)定值時，可加少量水玻璃或細沙。

4 結(jié)語

結(jié)合工程特性，經(jīng)現(xiàn)場踏勘和穩(wěn)定性計算，獲得技術可行、經(jīng)濟優(yōu)越的設計方案。

（1）水庫蓄水條件較好。因為庫首清基不徹底，壩肩、壩基出現(xiàn)滲漏；壩體填筑質(zhì)量較差，導致壩體表面有沉降現(xiàn)象。推薦撤除原壩體，新建漿砌塊石重力壩。

（2）根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，結(jié)合壩體基礎條件、壩體材料及現(xiàn)場施工等因素，經(jīng)設計方案的優(yōu)化調(diào)整，水庫樞紐總體布置方案為：C10細石混凝土砌毛石重力壩、壩面溢洪道、放空沖沙底孔，以及取水管道等，最大壩高29.2m。

（3）溢洪道的WES實用堰布置在壩體中部；取水形式為壩內(nèi)埋DN800鋼管，取水口位于壩體右側(cè)。

（4）經(jīng)多次方案優(yōu)化調(diào)整和抗滑穩(wěn)定性計算復核，壩體各結(jié)構特性均滿足設計規(guī)范要求。

［1］黔西南州水利電力勘測設計院.晴隆縣長流鄉(xiāng)三塊田小型農(nóng)田水利建設工程實施報告［R］.黔西：黔西南州水利電力勘測設計院，2012.

［2］彭成山，王甜，張東東.漿砌石重力壩應力分析研究［J］.中國水運，2010（05）：122－123.

［3］傅長鋒，任德記，高陽峰.漿砌石框格填碴病壩加固及其受力狀態(tài)研究［J］.水科學與工程技術，2010（02）：28－30.

［4］董大筑.漿砌石重力壩鋼筋混凝土防滲面板加固設計要點分析［J］.水利天地，2013（08）：46－47.

［5］丁惠林，賈樹臣，田彥中.漿砌石壩灌漿加固技術［J］.水利科技與經(jīng)濟，2009（01）：91－92.

［6］李世永.羅圈背水庫漿砌石重力壩加固設計參數(shù)初選［J］.東北水利水電，2013（01）：6－7.

[責任編輯 楊明慶]

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2015-01-19

馮建江（1981-），男，貴州晴隆人，工程師，主要從事水利水電工程設計工作。