衛(wèi)學(xué)文

(山西水投防護(hù)技術(shù)有限公司，山西 太原 030032)

南河水庫(kù)壩址位于交口縣東部大麥郊河支流南河上，地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°37′37″，北緯36°14′03″。南河水庫(kù)興利庫(kù)容為575.39萬(wàn)m3，總庫(kù)容為780.11萬(wàn)m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。主要建筑物包括大壩、溢洪道、取水口、導(dǎo)流兼放空管等為4級(jí)建筑物，次要建筑物及臨時(shí)建筑物為5級(jí)。水庫(kù)建成后，可為下游共計(jì)35315人口提供生活用水、8個(gè)企業(yè)提供生產(chǎn)用水、4000hm2灌區(qū)提供灌溉用水。供水保證率為95%，灌溉保證率為50%。對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境和提高社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，具有重大意義。

1 壩型選擇

根據(jù)壩址的地形地貌、工程地質(zhì)條件和天然筑壩材料調(diào)查，壩址處適合修建當(dāng)?shù)夭牧系耐潦瘔位蛐滦筒牧蠅?。通過(guò)各方面綜合分析比較，均質(zhì)土壩方案具有材料單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工較便利并可充分利用當(dāng)?shù)靥烊唤ú?，且工程量及投資最省，均有較好的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，因而本階段將均質(zhì)土壩作為推薦壩型。

上、下壩址河床擋水建筑物均為均質(zhì)土壩，溢洪道均位于右壩肩，上壩址取水兼導(dǎo)流放空管道位于右岸，下壩址取水兼導(dǎo)流放空管道位于左岸。上壩址最大壩高45.6m，壩頂長(zhǎng)度344.0m，設(shè)計(jì)壩頂高程1172.60m，防浪墻頂高程為1173.80m，壩頂寬度6.0m。壩體上游坡比從上至下分別為1∶2.75、1∶3.0，在高程1151.00m處設(shè)寬2.0m的馬道。下游壩面護(hù)坡采用300mm厚干砌石護(hù)坡，在壩軸線上游側(cè)設(shè)截水槽，底寬10.0m，截水槽底高程位于風(fēng)化巖基上。溢流堰采用WES實(shí)用堰，不設(shè)閘門(mén)控制，堰頂高程同正常蓄水位1171.00m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)7.0m，堰凈寬15.2m。下壩址最大壩高53.8m，壩頂長(zhǎng)度330.0m，設(shè)計(jì)壩頂高程1167.00m，防浪墻頂高程為1168.20m，頂寬6.0m。壩體上游坡比從上至下分別為1∶2.75、1∶3.0，在高程1145.00m處設(shè)寬2.0m的馬道。大壩剖面如圖1所示。

圖1 大壩剖面

2 均質(zhì)土壩施工

2.1 施工導(dǎo)流

本工程均質(zhì)土壩級(jí)別為4級(jí)，根據(jù)SL 252—2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，本工程臨時(shí)建筑物為5級(jí)，導(dǎo)流建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為5～10a一遇。考慮到導(dǎo)流涵管后期與永久建筑物結(jié)合作為取水兼放空之用，其級(jí)別定為4級(jí)，按永久建筑物設(shè)計(jì)，取水兼放空管施工圍堰級(jí)別為5級(jí)，大壩及取水兼放空管施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)均取5a一遇。

根據(jù)施工進(jìn)度安排，二汛6—9月壩體度汛，在此期間由未填筑到頂?shù)膲误w擋水，導(dǎo)流涵管泄水，繼續(xù)壩體上部填筑。臨時(shí)度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇為20a一遇，相應(yīng)時(shí)段洪峰流量為39.2m3/s。導(dǎo)流涵管最大下泄流量為4.46m3/s。

大壩上游圍堰采用均質(zhì)土圍堰，填料從土料場(chǎng)開(kāi)采。圍堰頂寬4m，兩側(cè)邊坡1∶2，堰頂高程按施工期擋水水位加超高確定，根據(jù)調(diào)洪計(jì)算導(dǎo)流期間擋水水位為1136.95m，取超高0.5m，堰頂高程為1137.45m，最大堰高5.45m。由于對(duì)應(yīng)下游水位低于下游壩腳處河床底高程，因此大壩下游無(wú)需設(shè)置圍堰。

2.2 主體工程施工

2.2.1壩基開(kāi)挖工程施工

壩基及兩岸覆蓋層開(kāi)挖總工程量41.7萬(wàn)m3，采用機(jī)械施工，用2m3反鏟挖掘機(jī)開(kāi)挖裝車(chē)，15t自卸汽車(chē)運(yùn)輸，將開(kāi)挖土方可利用料運(yùn)至臨時(shí)堆土場(chǎng)用于大壩填筑，運(yùn)距0.5km，不可利用料運(yùn)往1#棄渣場(chǎng)，運(yùn)距2km。

大壩最大壩高45.6m，壩頂軸線長(zhǎng)344m，選定黏土料場(chǎng)和砂礫石料場(chǎng)均位于大壩下游，筑壩材料可通過(guò)布置于下游壩坡上的臨時(shí)道路運(yùn)輸上壩。壩體填筑分區(qū)從上游至下游依次為上游防凍層、均質(zhì)壩體、下游排水棱體。均質(zhì)壩體填筑優(yōu)先利用工程開(kāi)挖材料，不足部分從土料場(chǎng)開(kāi)采土料，15t自卸汽車(chē)運(yùn)輸上壩，材料運(yùn)距2km，進(jìn)占法卸料，118kW推土機(jī)攤鋪整平，13.5t凸塊振動(dòng)碾分層碾壓密實(shí)，分層厚度不大于0.25m。碾壓采用錯(cuò)距法，碾跡重疊寬度不小于0.3m，碾壓參數(shù)按碾壓試驗(yàn)確定的參數(shù)執(zhí)行，大壩中部振動(dòng)碾平行壩軸線碾壓，岸坡處順岸碾壓，接坡處騎縫碾壓，邊角部位采用振動(dòng)沖擊夯夯實(shí)。

2.2.2混凝土澆筑

大壩現(xiàn)澆混凝土工程主要分布在腳槽、防浪墻、壩頂路面。腳槽混凝土由本工程拌合系統(tǒng)拌制，6m3攪拌運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸至澆筑部位直接入倉(cāng)，插入式振搗器振搗密實(shí)。模板采用組合鋼模，并鋪以模板。壩體澆筑至防浪墻底高程后開(kāi)始防浪墻施工。防浪墻墻高2.5m，底寬2.6m，墻厚0.5m，沿墻長(zhǎng)度方向每隔15m設(shè)伸縮縫一條，縫內(nèi)設(shè)止水。防浪墻采用跳倉(cāng)澆筑，混凝土由拌合系統(tǒng)拌制，6m3攪拌運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸至澆筑部位附近轉(zhuǎn)混凝土泵送入倉(cāng)，插入式振搗器振搗密實(shí)，模板采用組合鋼模，并鋪以木模板。

3 穩(wěn)定分析

3.1 壩坡穩(wěn)定分析

本次壩體穩(wěn)定計(jì)算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBANK7.07)》進(jìn)行計(jì)算分析。依據(jù)水庫(kù)運(yùn)用情況，計(jì)算工況如下。

工況1：非常情況Ⅰ，施工完建期上、下游壩坡；

工況2：正常情況，正常蓄水位1171.00m情況下形成穩(wěn)定滲流時(shí)的上、下游壩坡；

工況3：正常情況，設(shè)計(jì)洪水位1171.87m情況下形成穩(wěn)定滲流時(shí)的上、下游壩坡；

工況4：非常情況Ⅰ，校核洪水位1172.58m情況下形成穩(wěn)定滲流時(shí)的上、下游壩坡；

工況5：正常情況，由正常蓄水位1171.00m降落至1150.18m(220h)情況下的上游壩坡；

工況6：非常情況Ⅱ，正常蓄水位1171.00m情況下發(fā)生地震時(shí)的上、下游壩坡；

工況7：非常情況Ⅱ，設(shè)計(jì)洪水位1171.87m情況下發(fā)生地震時(shí)的上、下游壩坡；

工況8：非常情況Ⅱ，由正常蓄水位1171.00m降落至1150.18m(220h)情況下發(fā)生地震時(shí)的上、下游壩坡。

計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 大壩穩(wěn)定分析計(jì)算成果

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，大壩上游壩坡及下游壩坡在各種計(jì)算工況下的最小安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，壩坡穩(wěn)定。

3.2 防浪墻穩(wěn)定分析

防浪墻穩(wěn)定計(jì)算選取如下2個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算：工況1：完建工況；工況2：校核洪水位工況。

(1)

(2)

(3)

式中，∑G—作用于防浪墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑H—作用于防浪墻上全部平行于基底面的荷載，kN；—防浪墻基底面與壩體之間的摩擦系數(shù)，取0.3；[KC]—允許抗滑安全系數(shù)，工況1[KC]=1.20，工況防浪墻基底面應(yīng)力的最大值或最小值，kPa；A—防浪墻基底面的面積，m2；∑M—作用于防浪墻基底面以上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于底板形心軸的力矩，kN·m，順時(shí)針為負(fù)；W—防浪墻基底面對(duì)于順?biāo)鞣较虻男涡妮S的截面矩，m3；η—基底應(yīng)力不均勻系數(shù)；[η]—基底應(yīng)力不均勻系數(shù)容許值，[η]=2.5。

表2 防浪墻穩(wěn)定成果

以上計(jì)算結(jié)果表明防浪墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，抗滑穩(wěn)定滿足要求；基底應(yīng)力不均勻系數(shù)小于規(guī)范允許值，基底承載力滿足規(guī)范要求[4]。

3.3 荷載及組合

取水口高45.1m，為岸塔式結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)9.8m，寬4.9m。為使建筑物有足夠的穩(wěn)定性并控制基礎(chǔ)應(yīng)力，通過(guò)穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)。取水口地基為白云質(zhì)灰?guī)r，允許承載力：2.0MPa；混凝土與基巖之間的抗剪斷強(qiáng)度：f’=0.7，C’=0.6MPa。

用剛體極限平衡法進(jìn)行驗(yàn)算，以材料力學(xué)法進(jìn)行應(yīng)力分析。荷載組合及計(jì)算工況見(jiàn)表3。

3.3.1抗滑穩(wěn)定計(jì)算

抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式：

(4)

3.3.2抗傾穩(wěn)定計(jì)算

(5)

式中，K0—抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑My—作用于閘井的荷載對(duì)前趾產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩，kN·m；∑M0—作用于閘井的荷載對(duì)前趾產(chǎn)生的傾覆力矩，kN·m。

3.3.3抗浮穩(wěn)定計(jì)算

(6)

式中，Kf—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑V—建基面上垂直力總和(不含設(shè)備重量)，kN；∑U—建基面上揚(yáng)壓力總和，kN。

3.3.4基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算

建筑物基礎(chǔ)面垂直應(yīng)力，按材料力學(xué)偏心受壓公式計(jì)算，其正應(yīng)力滿足規(guī)范要求，計(jì)算公式為：

(7)

式中，σ—建基面上的垂直正應(yīng)力，kPa；∑V—建基面上的全部垂直力總和，kN；∑Mx、∑My—作用在建基面上的全部荷載對(duì)形心軸X、Y力矩總和，kN·m；x、y—計(jì)算點(diǎn)至形心軸Y、X的距離，m；Jx、Jy—分別為建基面對(duì)形心軸X、Y的慣性矩；A—建基面面積，m2。

表3 荷載組合及計(jì)算工況

取水口穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 取水口穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果

閘井抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(抗剪斷)基本組合時(shí)大于3，特殊組合時(shí)大于2.5，抗滑穩(wěn)定滿足要求；抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合時(shí)大于1.3，特殊組合時(shí)大于1.15，抗傾穩(wěn)定滿足要求；抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合時(shí)大于1.1，特殊組合時(shí)大于1.05，抗浮穩(wěn)定滿足要求；閘井基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力小于地基允許壓應(yīng)力，滿足規(guī)范要求；閘井基礎(chǔ)應(yīng)力基本組合時(shí)，拉應(yīng)力不超過(guò)0.1MPa，特殊組合時(shí)拉應(yīng)力不超過(guò)0.2MPa，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)南河水庫(kù)的地形地貌、工程地質(zhì)條件等方面的分析，結(jié)合實(shí)際情況，最適宜的壩型為均質(zhì)土壩，均質(zhì)土壩的材料單一，工序簡(jiǎn)單，能減少各工序間的干擾。同時(shí)對(duì)南河水庫(kù)大壩進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，通過(guò)邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析、防浪墻穩(wěn)定計(jì)算分析，以及荷載組合的抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定計(jì)算等，均符合規(guī)范要求，同時(shí)能夠達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)合理的目的。