陳 龍

(荔波縣水利局，貴州 荔波 558400)

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堯柳水庫混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)

陳 龍

(荔波縣水利局，貴州 荔波 558400)

堯柳水庫是1座采用厚0.3～0.55 m變厚面板的C25混凝土面板堆石壩，最大壩高69 m。在設(shè)計(jì)時(shí)，由于壩基地質(zhì)條件較復(fù)雜，需對(duì)大壩樞紐建筑物布置和結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行深入分析。結(jié)合壩址地形地質(zhì)、筑壩材料和施工條件等因素，首部樞紐方案設(shè)計(jì)由混凝土面板堆石壩、左岸無閘開敞式溢洪道和左岸放空兼取水建筑物三大部分組成，經(jīng)多次優(yōu)化調(diào)整后，樞紐布置、大壩經(jīng)濟(jì)斷面體形、壩基處理等均能滿足規(guī)范要求。圖2幅，表1個(gè)。

壩設(shè)計(jì)；混凝土面板堆石壩；首部樞紐；壩基處理

1 工程概況

堯柳水庫位于貴州省荔波縣茂蘭鎮(zhèn)茂蘭河上，工程壩址位于茂蘭鎮(zhèn)羅家村下堯柳寨子下游約2.2 km處，距茂蘭鎮(zhèn)政府約12 km，距荔波縣城約35 km。工程任務(wù)是向瑤慶工業(yè)聚集區(qū)供水、灌溉及村鎮(zhèn)供水，解決茂蘭鎮(zhèn)、洞塘鄉(xiāng)、瑤麓鄉(xiāng)、立化鎮(zhèn)4 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共計(jì)8個(gè)村81個(gè)組的人畜飲水問題，同時(shí)兼顧下游農(nóng)業(yè)灌溉及瑤慶工業(yè)聚集區(qū)的工業(yè)供水。壩址以上流域集雨面積18.5 km2，多年平均徑流量1 619萬 m3，多年平均流量0.51 m3/s。水庫校核洪水位700.41 m，總庫容907萬 m3，正常蓄水位696.50 m，相應(yīng)庫容746萬 m3，死水位651.00 m，相應(yīng)庫容11.20萬 m3，興利庫容734.80萬 m3。工程等別為Ⅳ等，規(guī)模為小(1)型[1_2]。

2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

推薦壩址位于茂蘭河與保家河支流匯合口下游145 m河段，河谷斷面呈基本對(duì)稱的“V”型橫向谷，河流流向?yàn)镹67°W。兩岸山體雄厚，河床寬18 m左右，高程636.6 m，河水深度在0.2～0.6 m左右，當(dāng)正常蓄水位為696.5 m時(shí)，谷寬130 m，寬高比為2.2。

兩岸坡地形均為下陡上緩，左岸679 m高程以下自然坡度為50°～70°，679 m 高程以上自然坡度為25°～35°；右岸701 m高程以下自然坡度為50°～60°，701 m高程以上平均坡度在25°左右，兩岸均以切向坡為主。

兩岸基巖多裸露，河床覆蓋層厚0～2 m。壩址附近及下游河床和兩岸帶出露地層主要為C1y2-3中厚層至厚層灰?guī)r夾少量泥質(zhì)灰?guī)r及炭質(zhì)頁巖；壩址上游河床和兩岸出露地層主要為C1y2-2中厚層至厚層石英砂巖、炭質(zhì)砂巖及粉砂巖，夾薄層砂巖、炭質(zhì)頁巖及砂質(zhì)頁巖。

在上壩線上游一帶發(fā)育有1個(gè)背斜橫穿壩區(qū)，背斜軸向45°左右，核部及兩翼為下石炭統(tǒng)巖關(guān)組湯粑溝段第二亞段(C1y2-2)、第三亞段(C1y2-3)及大塘組舊司段(C1d1)地層組成，其核部附近巖層傾角較陡(50°～65°)，兩翼巖層傾角相對(duì)較緩(15°～35°)，該背斜與河流流向近垂直。

上壩線一帶河床及兩壩肩正常蓄水位以下巖性主要為中厚層至厚層石英砂巖、炭質(zhì)砂巖及粉砂巖，夾薄層砂巖、炭質(zhì)頁巖及砂質(zhì)頁巖，為碎屑巖類(相對(duì)隔水層)，以基巖裂隙水為主。據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)資料，河床及兩岸強(qiáng)風(fēng)化巖體透水率一般>20 Lu，弱風(fēng)化巖體透水率一般為5～10 Lu，兩岸鉆孔穩(wěn)定，地下水位高程均高于水庫正常蓄水位。

3 首部樞紐布置

3.1 適宜壩型分析

根據(jù)地形地質(zhì)條件，壩址左壩肩位于背斜核部附近，巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，上壩線右壩肩下游側(cè)為1個(gè)小沖溝，形成倒“八”字地形，壩肩較薄弱，不利于拱壩壩肩穩(wěn)定；且兩壩肩及河床一帶層間軟弱層較發(fā)育，故不宜修建拱壩。

據(jù)鉆孔揭露，上壩線河床基礎(chǔ)層間軟弱層主要發(fā)育在C1y2-2及C1y2-3-1、C1d1地層中，巖層緩傾下游，傾角17°左右，其巖性主要為黑色含鈣和粉砂炭質(zhì)頁巖，集中分布在624～612 m 高程，巖層走向與河流基本垂直，故對(duì)重力壩的深層抗滑穩(wěn)定影響很大。由于軟弱層分布高程太低，地基處理困難，另外兩壩肩也發(fā)育有緩傾下游的軟弱層，對(duì)重力壩岸坡段的壩體穩(wěn)定不利，故不宜修建重力壩。

根據(jù)地表勘察及鉆探成果顯示，上壩線一帶河床及兩岸覆蓋層厚0～3.5 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～6 m，弱風(fēng)化層厚3.5～6 m，適宜修建混凝土面板堆石壩，故上壩線最終采用混凝土面板堆石壩作為代表壩型進(jìn)行樞紐布置。樞紐布置方案為：混凝土面板堆石壩+左岸無閘開敞式溢洪道+左岸放空兼取水建筑物。

3.2 混凝土面板堆石壩

大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程701.00 m，河床段趾板建基面高程632.00 m，最大壩高69 m；壩頂寬7.6 m(凈寬6.5 m)，最大壩底寬207.241 m；壩軸線方位角N21.7723°E，壩頂長151.100 m；上、下壩坡均為1∶1.4。下游壩坡在645.30、674.50 m高程各設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬均為3.0 m；上游為變厚混凝土防滲面板，頂厚0.3 m，底厚0.55 m，其后依次設(shè)厚3.0 m 的墊層料、3.0 m 厚的過渡料、主堆石區(qū)以及下游干砌塊石護(hù)坡；上壩公路布置在右岸。

3.3 無閘開敞式溢洪道

溢洪道布置在左岸，為無閘開敞式溢洪道，呈直線布置(見圖1)。

圖1 無閘開敞式溢洪道平面布置

從圖1可知，溢流凈寬12 m，堰型為WES實(shí)用堰，堰面曲線采用冪曲線y=0.180x1.85。堰頂高程696.50 m，交通橋面高程701.00 m，交通橋?qū)?.0 m。泄槽段軸線方位角為NW66.0747°。整個(gè)溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、陡坡泄槽段以及消能工組成，總長177.40 m。泄槽等寬12 m，在溢縱0+007.559 m至溢縱0+029.443 m，泄槽底坡為i=0.100；在溢縱0+029.443 m至溢縱0+125.027 m，泄槽底坡為i=0.472。泄槽底板厚0.5 m，為C30 混凝土澆筑。出口采用挑流消能，反弧半徑3.5 m，挑射角15°，鼻坎高程645.00 m。

3.4 放空兼取水建筑物

放空兼取水建筑物布置在左岸，利用導(dǎo)流洞改建而成。管道總長357.35 m，采用龍?zhí)ь^形式與施工導(dǎo)流隧洞銜接。管道進(jìn)水口底板高程648.00 m，進(jìn)水口采用岸塔式，進(jìn)水隧洞前設(shè)置攔污柵，進(jìn)口設(shè)1.5 m×1.5 m 平板事故檢修閘門，進(jìn)口采用三面收縮的喇叭形，底部為平底，收縮橢圓曲線方程X2/1.52+Y2/0.5=1。閘門井高54.0 m，在701.00 m高程設(shè)啟閉機(jī)室，檢修閘門后設(shè)500 mm×1 000 mm 的通氣兼進(jìn)人孔。出口采用龍擺尾形式接入閘閥室，在閘閥室內(nèi)分出1根φ1 000 岔管接入消力池，并設(shè)φ1 000 工作閘閥。φ1 500主管經(jīng)導(dǎo)流洞接入下游河道，作為水庫放空設(shè)施。φ1 000 岔管管道在消力池內(nèi)一分為二，包括生態(tài)流量管及輸水鋼管，消力池寬3.0 m、高5.0 m、長5.0 m。生態(tài)流量管為φ200，管長22 m，輸水鋼管為φ1 200。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 壩頂高程

防浪墻頂高程等于水庫靜水位加墻頂超高，按正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位+正常運(yùn)用情況的墻頂超高，3種工況進(jìn)行計(jì)算取其最大值。調(diào)洪計(jì)算結(jié)果表明：水庫校核洪水位為700.41 mm， 設(shè)計(jì)洪水位為699.19 m，正常蓄水位為696.50 m，泥沙淤積高程為644.42 m，多年平均最大風(fēng)速為9.8 m/s。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)[3_4]，坡比系數(shù)m=1.407，計(jì)算得壩頂高程成果(見表1)。

表1 壩頂高程計(jì)算成果

從表1可以看出，壩頂高程的控制情況為校核洪水位工況。當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻時(shí)，壩頂超高可改為對(duì)防浪墻頂?shù)囊?。但此時(shí)在正常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)高出靜水位0.5 m，為699.69 m；在非常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)不低于靜水位，為700.41 m。因此，設(shè)計(jì)將堯柳堆石壩的壩頂高程定為701.00 m，防浪墻高出壩頂1.2 m，頂部高程為702.20 m，滿足規(guī)范要求。

4.2 壩頂標(biāo)準(zhǔn)剖面

壩頂高程701.00 m，河床趾板建基面高程632.00 m，最大壩高69 m，壩頂寬度7.6 m(凈寬6.5 m)，最大壩底寬207.241 m。為了減少壩體填筑量，降低工程造價(jià)，壩頂部的上游面一般設(shè)1道直立的C25 鋼筋混凝土的L 墻，墻高從防浪墻頂算起共3.314 m。防浪墻橫縫間設(shè)1道止水至墻頂，墻頂高出壩頂 1.2 m。上游設(shè) 0.8 m 的檢修平臺(tái)，以利于檢查通行，檢修平臺(tái)高程699.50 m，檢修平臺(tái)比設(shè)計(jì)洪水位高0.31 m。壩體分區(qū)從上游到下游依次為：上游蓋重區(qū)1B(頂部水平寬度3.0 m，頂部高程651.50 m)，上游粘土鋪蓋區(qū)1A(頂部水平寬度3.0 m，頂部高程651.50 m)，C25 混凝土面板F，墊層區(qū)2A(水平寬度3.0 m)，過渡區(qū)3A(水平寬度3.0 m)，主堆石區(qū)3B，下游干砌塊石護(hù)坡3D(厚0.5 m)(見圖2)。

圖2 面板堆石壩壩頂結(jié)構(gòu)大樣

4.3 壩基處理

(1)基礎(chǔ)開挖

由于堆石體和地基因承受庫水壓力而產(chǎn)生的應(yīng)力和變形主要分布在靠近上游1/3范圍內(nèi)，余下2/3范圍內(nèi)則較小，所以上游部分的壩基開挖中，將趾板、墊層和過渡層基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化巖層上部，河床趾板開挖深度2～12 m，兩岸開挖深度5.0～30 m。大壩中、下游部分的基礎(chǔ)只需將覆蓋層挖除即可。

(2)大壩基礎(chǔ)處理

面板壩趾板基礎(chǔ)多選定在弱風(fēng)化巖體內(nèi)，受鄰近背斜影響，基礎(chǔ)巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部巖石較破碎，對(duì)趾板基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。固結(jié)灌漿布置3 排(含帷幕)，設(shè)計(jì)排距2 m，孔距3 m，按梅花型布孔。左右岸灌漿深度6～8 m，河谷段8～10 m，在背斜核部附近固結(jié)灌漿深度應(yīng)大于10 m，鉆孔172 個(gè)(其中機(jī)動(dòng)孔16 個(gè))，總進(jìn)尺1 716 m，有效進(jìn)尺1 373 m，無效進(jìn)尺343 m。趾板基礎(chǔ)采用φ25 砂漿錨桿與基礎(chǔ)連接，錨桿長4.5 m，間、排距1.5 m，梅花型布置。趾板開挖邊坡噴錨支護(hù)并布置隨機(jī)錨桿，長4.5 m，間、排距3.0 m，梅花型布置。

(3)壩肩基礎(chǔ)處理

兩岸基巖多裸露。壩線附近下游兩岸帶出露地層為C1y2-3中厚層至厚層灰?guī)r夾少量泥質(zhì)灰?guī)r及炭質(zhì)頁巖；壩線上游兩岸出露地層主要為C1y2-2中厚層至厚層石英砂巖、炭質(zhì)砂巖及粉砂巖，夾薄層砂巖、炭質(zhì)頁巖及砂質(zhì)頁巖。兩岸地形較陡，壩肩開挖邊坡較高，局部地段受巖體風(fēng)化及卸荷帶影響，開挖后局部可能會(huì)形成卸荷及不利結(jié)構(gòu)面組合的不穩(wěn)定塊體，需作好開挖邊坡穩(wěn)定支護(hù)[5]。采用超前錨桿，先錨固后開挖。開挖后形成的永久邊坡采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，掛網(wǎng)鋼筋為φ8@200 mm×200 mm；錨桿為φ25，根長4.5 m；噴C20 混凝土，厚100 mm。

5 結(jié) 語

(1)根據(jù)壩址區(qū)地表勘察和鉆探成果，結(jié)合工程區(qū)筑壩材料及現(xiàn)場施工條件等因素，混凝土面板堆石壩首部樞紐設(shè)計(jì)由混凝土面板堆石壩、左岸無閘開敞式溢洪道和左岸放空兼取水建筑物(導(dǎo)流洞改建)三大部分組成。

(2)經(jīng)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算分析，大壩樞紐布置、壩頂高程確定、壩體經(jīng)濟(jì)橫剖面結(jié)構(gòu)體形、壩基處理方法等，均滿足《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 228—2013)要求。

(3)水庫興建后能有效解決茂蘭鎮(zhèn)、洞塘鄉(xiāng)、瑤麓鄉(xiāng)、立化鎮(zhèn)的農(nóng)田灌溉、村鎮(zhèn)供水和工業(yè)生產(chǎn)用水問題，具有較明顯的社會(huì)效益。

[1] 黔南州水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.貴州省荔波縣堯柳水庫工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R]. 凱里：黔南州水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2014.

[2] 酈能惠,楊澤艷.中國混凝土面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)步[J]. 2012,34(8):1361_1368.

[3] 馬勛騁.街面水電站混凝土面板堆石壩主要技術(shù)問題探討[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2006(10):697_699.

[4] 張 偉.溫泉水電站面板堆石壩壩體分區(qū)及壩料[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2013(3):79_81.

[5] 丁天沛,蔡小仁.黃龍水庫混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)和施工[J].小水電,2008(2):55_60.

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責(zé)任編輯 吳 昊

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2014-12-24

陳 龍(1980-)，男，工程師，主要從事水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及建設(shè)管理工作。 E_mail: cl198011@126.com