(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

吐香壩水庫位于正安縣市坪鄉(xiāng)河渡村境內(nèi)，距市坪集鎮(zhèn)6km，距正安縣城70km，距遵義市區(qū)160km。壩址位于艾子溝上游，屬長江流域烏江水系。壩址以上流域面積2.8km2，主河道長2.9km，多年平均徑流量190萬m3。水庫主要任務(wù)為解決市坪鄉(xiāng)集鎮(zhèn)及周邊部分農(nóng)村人飲供水和農(nóng)田灌溉，多年平均供水量130萬m3/年，正常蓄水位1104.00m，相應(yīng)庫容104萬m3，水庫總庫容121萬m3。樞紐工程主要由大壩、壩頂溢流表孔、取水兼放空建筑物等組成，壩型為堆石混凝土重力壩，最大壩高30.8m。水庫規(guī)模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等。

2 建壩河段選址及壩址壩型比選

2.1 建壩河段選址

根據(jù)艾子溝沿線地形地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場踏勘，將艾子溝劃分為里山溝以上河段、青崗林至里山溝河段、艾子壩至青崗林河段和艾子壩以下河段共四個河段進行建壩河段比選。?里山溝以上河段，河谷多寬緩，兩岸地形總體平緩；河段無構(gòu)造切割，沿線無不良地質(zhì)現(xiàn)象分布，經(jīng)一定工程措施處理后具備建壩條件；但由于市坪鄉(xiāng)缺水嚴(yán)重且水源點少，僅市坪集鎮(zhèn)人飲需水量就達74.6萬m3，而該河段集雨面積較小，不滿足供水需求，不適宜建壩成庫；?青崗林至里山溝河段，長約0.5km，河流流向總體順直，河床平緩，無跌坎、深槽等分布，主要為山間寬槽谷地形，局部段河谷狹窄，河谷兩岸對稱性總體較好；該段岸坡及河床均位于∈1j極薄至薄層泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r內(nèi)，地層單一，巖層為相對隔水層，對成庫有利；河谷段內(nèi)為非可溶巖，巖溶不發(fā)育，除里山溝上游河流轉(zhuǎn)彎處分布有一危巖體(方量約2萬～3萬m3)外，其余河段未見不良地質(zhì)現(xiàn)象分布。該段河谷居民零星分布，水庫淹沒小，施工干擾小，河谷狹窄能節(jié)約筑壩工程量，且經(jīng)一定工程措施處理后，具備建壩條件；?艾子壩至青崗林河段，長約0.8km，河流呈蛇形彎曲延伸，河床比降大，河谷較為開闊，平均寬度200～400m；兩岸地形總體平緩，岸坡侵蝕作用強烈，季節(jié)性淺切、深切沖溝較為發(fā)育，地形連續(xù)性、對稱性均較差；另外，該段河谷居民區(qū)分布密集，水庫淹沒范圍較大，且河谷開闊，筑壩工程量大，建筑工程投資及水庫移民投資大，建壩成庫經(jīng)濟性差，故該段河谷不適宜選擇建壩[1]；?艾子壩以下河段地形平坦開闊，不具備建壩條件。

通過現(xiàn)場踏勘，結(jié)合測繪、地質(zhì)、勘探等成果，經(jīng)地形地貌、地質(zhì)條件和供水能力等分析[2]，優(yōu)選青崗林至里山溝河段總長約0.5km河段作為建壩壩段。

2.2 壩址壩型比選

2.2.1 壩址比選

根據(jù)建壩河段地形地質(zhì)條件，選擇相距約0.43km的上、下壩址進行論證，其位置如圖1所示。

根據(jù)上、下壩址地形地質(zhì)條件，結(jié)合水庫規(guī)模、泄洪布置等因素進行分析，結(jié)果表明：上、下壩址均具備建設(shè)條件，即：?下壩址河谷狹窄，兩岸地形不對稱，壩肩山體連續(xù)性差且單薄，無修建拱壩條件；但壩基及兩壩肩以泥質(zhì)粉砂巖為主，壩基肩除裂隙發(fā)育外無斷層構(gòu)造切割，經(jīng)一定工程措施處理后具備修建柔性壩及中低型剛性壩條件[3]；?上壩址河谷開闊，兩岸地形基本對稱，壩基及兩壩肩以中硬巖為主，左壩肩下游發(fā)育深切沖溝，岸坡山體稍單薄，右壩肩受卸荷裂隙、斷層構(gòu)造等切割，巖體破碎，完整性較差，故上壩址也無修建拱壩條件；經(jīng)一定工程措施處理后，上壩址也具備修建柔性壩和中低型剛性壩條件。

由于上壩址右岸上游受重力、斷層切割、河水沖刷改造等作用，卸荷裂隙十分發(fā)育，且裂隙頻率高、延伸長、切割深。右岸山體完整性差，巖體破碎。河水向下游補給、徑流，該段河谷總體為排泄性河谷。上壩址地質(zhì)構(gòu)造和巖溶水文地質(zhì)條件明顯比下壩址差，且防滲處理及開挖邊坡處理難度要明顯大于下壩址，不良地質(zhì)發(fā)育，蓄水后可能存在滑塌、崩落等問題，對大壩整體安全穩(wěn)定性影響較大[4]。經(jīng)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶水文地質(zhì)、防滲處理、抗滑穩(wěn)定及不良地質(zhì)現(xiàn)象等方面的綜合比選[5]，優(yōu)選下壩址為吐香壩水庫建壩壩址。

2.2.2 壩型比選

下壩址具備修建柔性壩及中低型剛性壩的條件。由于面板壩填筑方量大、不經(jīng)濟、工藝煩瑣、工期長[6-7]，而重力壩方案在地形地質(zhì)條件、樞紐布置和技術(shù)經(jīng)濟等方面均占優(yōu)勢，故設(shè)計優(yōu)選地形地質(zhì)條件適宜性好的重力壩壩型。經(jīng)過不同正常蓄水位方案的經(jīng)濟技術(shù)比較，確定大壩正常蓄水位為1104.00m，壩高30.8m，屬中壩。

3 堆石混凝土重力壩結(jié)構(gòu)布置

3.1 大壩樞紐布置

大壩樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪建筑物、取水兼放空建筑物等組成。大壩為堆石混凝土重力壩，溢洪道為壩頂表孔溢流，布置于大壩壩頂中部。取水兼放空建筑物布置于大壩右壩段，采用壩身埋管。大壩樞紐布置如圖2所示。

圖2 堆石混凝土重力壩樞紐布置

3.1.1 擋水建筑物

大壩為C9015W6F50一級配堆石混凝土重力壩，壩軸線方位角為N62.51°E，壩軸線長86.0m，兩壩肩及河床段壩基置于弱風(fēng)化基巖上部，河床建基面高程1075.50m，壩頂高程1106.30m，壩頂上游設(shè)置青石欄桿，最大壩高30.80m。壩內(nèi)設(shè)灌漿排水廊道，總長為28.0m，廊道底板高程1084.40m。右岸設(shè)交通及排水廊道，其底部高程1084.40m，總長25.0m。

3.1.2 壩頂溢流表孔

大壩壩頂中部設(shè)泄洪表孔，為開敞式泄洪方式。堰型為WES實用堰，堰頂高程1104.00m。溢流壩段凈寬12m，共2孔，單孔寬6m。溢流面由上游面1∶1斜坡段和圓弧曲線、下游面曲線、泄槽直線段和反弧段、底流消能段組成，長36.8m。

3.1.3 取(放)水建筑物

取(放)水建筑物布置于大壩右壩段，主要由進水口、漸變段和壓力鋼管段等組成，總長37.7m。進水口底板高程1087.80m，設(shè)1道1.2m×1.6m的攔污柵和1扇1.2m×1.2m的平板事故檢修閘門及相應(yīng)啟閉設(shè)備。在壩后設(shè)有閘室，室內(nèi)分別布設(shè)有DN700放空、DN400輸水和DN200生態(tài)放水的工作閥門，另在生態(tài)放水工作閥門前布設(shè)有DN200檢修閘閥。

3.2 壩體結(jié)構(gòu)布置及壩基處理

3.2.1 壩體結(jié)構(gòu)布置

大壩為堆石混凝土重力壩，壩頂寬6.0m，大壩上游壩坡1∶0.2，起坡點高程1085.50m，下游壩坡1∶0.8，起坡點高程1100.00m，壩底最大厚度27.6m。大壩主體材料采用一級配C9015堆石混凝土，抗?jié)B等級為W6，抗凍等級為F50。上游面采用厚0.5m一級配C9015自密實混凝土防滲，抗?jié)B等級為W6，抗凍等級為F50，同時布設(shè)φ12表面溫度筋。河床基礎(chǔ)設(shè)置1.0m厚二級配C15常態(tài)混凝土墊層，抗?jié)B等級為W6，抗凍等級為F50。岸坡基礎(chǔ)采用0.5m厚一級配C9015自密實混凝土墊層。壩頂路面為0.3m厚C25二級配混凝土。

大壩左、右兩側(cè)為非溢流壩段，總長71m。中間溢流壩段(壩0+118.30～壩0+133.30)總長度15.0m，共設(shè)2孔，溢流凈寬12.0m。壩內(nèi)設(shè)灌漿排水廊道，總長28.0m，廊道底板高程1084.40m，其斷面尺寸2.5m×3.0m(寬×高)。右岸設(shè)交通及排水廊道，其底部高程1084.40m，總長25.0m，廊道斷面尺寸2.5m×3.0m(寬×高)。灌漿廊道內(nèi)靠下游側(cè)設(shè)置一排DN150排水孔，間距3.0m，采用鉆孔的方式形成。壩頂寬6.0m，壩頂上、下游側(cè)設(shè)1.2m高青石欄桿。大壩中部泄洪表孔位置設(shè)6.0m寬工作橋連接左、右壩段。

3.2.2 壩基處理

3.2.2.1 基礎(chǔ)開挖

最大壩高30.8m，根據(jù)規(guī)范要求，需將壩基置于弱風(fēng)化基巖中上部，大壩開挖深度除考慮地質(zhì)因素外，還需滿足壩基(肩)抗滑穩(wěn)定要求。垂直開挖深度約6～10m，基礎(chǔ)開挖巖質(zhì)邊坡坡比1∶0.5、土質(zhì)邊坡坡比1∶1。對地質(zhì)條件較差位置的開挖邊坡采取錨、網(wǎng)、噴聯(lián)合支護處理。開挖時遇軟弱夾層、斷層影響帶及巖溶發(fā)育位置采用局部深挖回填混凝土，并做一定固結(jié)灌漿進行補強處理[8]。

3.2.2.2 大壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿

大壩基礎(chǔ)開挖后建基面多位于弱風(fēng)化層頂部，局部基巖受裂隙切割和軟弱夾層分布影響，同時受開挖爆破影響，壩基巖體存一定壓縮變形問題，需采取固結(jié)灌漿處理。固結(jié)灌漿孔平行壩軸線布置，其中壩軸線上游側(cè)布置兩排固結(jié)孔，孔深8m，下游布置6排固結(jié)孔，孔深5m，孔排距均為3m，固結(jié)鉆孔總進尺共750m。若遇裂隙密集帶、巖溶發(fā)育帶應(yīng)進行擴挖、深挖回填后增加固結(jié)灌漿加密孔。

4 堆石混凝土重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

4.1 壩頂高程確定

根據(jù)調(diào)洪計算成果，吐香壩水庫校核洪水位1105.52m，設(shè)計洪水位1105.13m，正常蓄水位1104.00m，經(jīng)量算，水庫計算吹程D=0.3km。據(jù)氣象統(tǒng)計，多年平均最大風(fēng)速11.0m/s，計算風(fēng)速分別為：正常情況16.5m/s；校核情況11.0m/s。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319—2005)壩頂高程為水庫靜水位加壩頂超高[9]。壩頂高程計算考慮兩種工況：?正常蓄水位+正常運用壩頂超高；?校核洪水位+非常運用壩頂超高。計算得各工況條件下壩頂高程成果，如表1所列。

表1 壩頂高程計算成果

從表1可知，壩頂高程的控制情況為非常運用條件校核洪水位工況，計算壩頂高程為1106.09m，設(shè)計確定壩頂高程為1106.30m，在壩頂上游設(shè)置青石欄桿。綜合考慮設(shè)備布置、檢修、交通及觀測等要求，確定壩頂寬6.0m。

4.2 大壩應(yīng)力分析及抗滑穩(wěn)定計算

吐香壩水庫場區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，大壩為4級建筑物。按《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(SL 203—97)，其抗震設(shè)防類別達不到丁類，水工建筑物設(shè)計可不考慮抗震計算，壩體穩(wěn)定與應(yīng)力計算不用考慮偶然狀況下地震情況的荷載組合，即：?基本荷載組合1(正常蓄水位1104.00m工況)：自重+靜水壓力+揚壓力+淤沙壓力+浪壓力；?基本荷載組合2(設(shè)計洪水位1105.13m工況)：自重+靜水壓力+揚壓力+淤沙壓力+浪壓力+動水壓力；?特殊荷載組合(校核洪水位1105.52m)：自重+靜水壓力+揚壓力+淤沙壓力+浪壓力+動水壓力。

4.2.1 大壩應(yīng)力分析

將堆石混凝土重力壩視為一個剛體，分析得不同壩段不同荷載組合工況下的上、下游面垂直正應(yīng)力計算成果，如表2所列。

從表2可知，基本荷載組合1情況下，最大壓應(yīng)力0.39MPa；特殊荷載組合情況下，最大壓應(yīng)力0.44MPa，大壩上游面未出現(xiàn)拉應(yīng)力。不同運行工況條件下，大壩最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均在規(guī)定限值允許范圍內(nèi)，基巖承載力也滿足規(guī)范要求。

表2 大壩應(yīng)力計算成果 單位： MPa

4.2.2 大壩抗滑穩(wěn)定計算

大壩地基置于基巖弱風(fēng)化層中上部，壩基受層面及構(gòu)造組合切割，對壩基穩(wěn)定構(gòu)成一定的影響，存在淺層抗滑穩(wěn)定和深層抗滑穩(wěn)定問題。

4.2.2.1 抗滑穩(wěn)定計算物理參數(shù)

筑壩材料重度γc=24.8kN/m3；水重度γw=9.8kN/m3。第一種滑動模式：壩體混凝土與基巖接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.58；壩體混凝土與基巖接觸面抗剪斷黏聚力c′=0.45MPa。第二種滑動模式：?第一滑動面：泥質(zhì)粉砂巖層面摩擦系數(shù)f′=0.5；泥質(zhì)粉砂巖層面抗剪斷黏聚力c′=0.12MPa；?第二滑動面：泥質(zhì)粉砂巖(夾灰?guī)r)巖體抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.61；泥質(zhì)粉砂巖(夾灰?guī)r)巖體抗剪斷黏聚力c′=0.45MPa。

4.2.2.2 壩體抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319—2005)及《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》(SL 678—2014)規(guī)定[10]，吐香壩水庫大壩抗滑穩(wěn)定按抗剪斷強度公式進行計算，分析得各工況條件下大壩抗滑穩(wěn)定計算成果，如表3所列。

表3 大壩抗滑穩(wěn)定計算成果

從表3可知，兩種滑動模式基本荷載正常工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為3.05，大于規(guī)范規(guī)定的K=3.0；特殊荷載校核工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為3.17，大于規(guī)范規(guī)定的K=2.5，均滿足規(guī)范要求，壩體抗滑穩(wěn)定性較高。

5 結(jié) 語

為確保吐香壩水庫樞紐建筑物具有較高技術(shù)可行性和經(jīng)濟優(yōu)越性，對建壩河段、壩址壩型、首部樞紐布置和大壩結(jié)構(gòu)等進行詳細論證分析，優(yōu)選地形地質(zhì)適宜性好、工程占地小、樞紐布置合理的設(shè)計方案，為工程高效優(yōu)質(zhì)施工建設(shè)提供了重要技術(shù)保障。

a.經(jīng)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合測繪、地質(zhì)、勘探等成果，對地形地貌樞紐布置可行性、地質(zhì)條件適宜性和供水能力等進行詳細論證分析，優(yōu)選青崗林至里山溝河段總長約0.5km河段作為建壩壩段。

b.上、下壩址均無修建拱壩條件，但經(jīng)一定工程措施處理后均具備修建柔性壩及中低型剛性壩條件。經(jīng)地形特性、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶水文、地基防滲及邊坡開挖處理等條件對比分析，優(yōu)選經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)均較優(yōu)越的下壩址作為吐香壩水庫的建壩壩址。

c.根據(jù)壩址區(qū)地形地貌和水文地質(zhì)條件，結(jié)合大壩填筑工程量、施工工藝和施工工期等因素，設(shè)計優(yōu)選填筑方量相對較小、施工工藝較簡便、工期和投資經(jīng)濟指標(biāo)較好的堆石混凝土重力壩方案。同時，經(jīng)大壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力和穩(wěn)定性分析計算：在不同荷載組合工況條件下，堆石混凝土重力壩結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力和基巖承載力均在規(guī)定允許限值范圍，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)也滿足規(guī)范要求。