楊廣省

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550000）

建立科學(xué)有效的水庫壩型評價(jià)指標(biāo)體系,對水庫建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義[1]。水庫工程因建設(shè)條件復(fù)雜,設(shè)計(jì)周期嚴(yán)格,壩型選擇復(fù)雜且容錯率低,受區(qū)域地質(zhì)、原材料和投資等因素影響呈現(xiàn)出綜合性、復(fù)雜性特點(diǎn)。國內(nèi)學(xué)者常常采用主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行壩型設(shè)計(jì)優(yōu)選,但分析過程具有隨機(jī)性和模糊性特點(diǎn)[2-3]。本文以頂云哨水庫壩體為研究對象,開展壩型比選研究,建立適宜的評價(jià)體系,為水庫設(shè)計(jì)決策的科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化提供指導(dǎo)。

1 工程概況

頂云哨水庫工程位于貴州省安順市關(guān)嶺縣，所在的河流為養(yǎng)馬溝。壩址控制流域面積為1.17 km2，主河道河長1.69 km,河床平均比降75‰。頂云哨水庫工程主要任務(wù)是村鎮(zhèn)供水,供水范圍為永寧集鎮(zhèn)及養(yǎng)馬村。水庫設(shè)計(jì)供水量為35.8 萬m3/a，其中向永寧鎮(zhèn)供水32.9 萬m3/a，養(yǎng)馬村供水2.88 萬m3/a。頂云哨水庫總庫容36.6 萬m3,水庫樞紐工程等別為Ⅴ等,工程規(guī)模為小（2）型；水庫總供水量為35.8 萬m3/a,供水工程等別為Ⅴ等,工程規(guī)模為?。?）型。提水泵站設(shè)計(jì)流量為17.1 L/s,功率為2×30 kW,泵站工程等別為Ⅴ等,工程規(guī)模屬?。?）型。

2 壩型擬定比選

2.1 壩址區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）地形地貌

河流流向總體為S18°E,長約0.45 km,河床較平緩,河道呈“S”型彎曲,無跌坎深潭發(fā)育,河床高程1474 m~1460 m,河床天然坡降為3.1%,此河段集雨面積為1.17 km2。河谷呈基本對稱的“V”型谷,左岸地形坡度10°~40°；右岸地形坡度20°~60°,岸坡地形總體順直,自然邊坡總體穩(wěn)定。兩岸坡頂高程1540 m 左右。河床寬約30 m,河流比降約3.1%。正常蓄水位1474.0 m 高程時(shí)對應(yīng)谷寬約110 m,河谷寬高比為7.86。壩區(qū)整體為溶蝕型為主,侵蝕型為輔中山溝谷地貌。

（2）地層巖性

左、右岸1480 m 高程以下及河床出露三疊系下統(tǒng)夜郎組第二段第一層（T1y2-1）淺灰色中厚層泥質(zhì)灰?guī)r與泥巖互層地層,泥灰?guī)r約60%,泥巖約40%,右岸1480 m 高程以上為三疊系下統(tǒng)永寧組第三段（T1yn3）以淺灰、灰色中至厚層泥晶灰?guī)r為主,時(shí)夾泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖。右岸基巖受F1、f1 斷層影響,岸坡產(chǎn)狀變化較大,斷層影響帶外總體地層產(chǎn)狀N19°~30°E/NW ∠30°~50°；左岸總體地層產(chǎn)狀N50°~60°W/NE ∠25°~35°。

右岸陡崖腳分布松散覆蓋層,厚0~5 m,分布高程1490 m~1513 m,主要成分為崩塌堆積塊石、碎石土；左岸覆蓋層厚0~6.4 m,主要成分為殘坡積砂質(zhì)粘土、亞粘土夾碎石；河床覆蓋層厚5.0 m~7.8 m,主要成分為腐殖土夾砂礫石土。

2.2 剛性壩壩型適應(yīng)性分析

剛性壩中比較常見的為重力壩與拱壩。從地形條件來說,河床寬30.0 m,高程1460.0 m,設(shè)計(jì)正常蓄水位高程1474.00 m時(shí),谷口寬110 m,寬高比7.86,河谷較寬,不宜修建拱壩；從地質(zhì)條件來說,左、右岸1480m 高程以下及河床出露三疊系下統(tǒng)夜郎組第二段第一層（T1y2-1）淺灰色中厚層泥質(zhì)灰?guī)r與泥巖互層地層,泥灰?guī)r約60%,泥巖約40%,右岸1480 m 高程以上為三疊系下統(tǒng)永寧組第三段（T1yn3）以淺灰、灰色中至厚層泥晶灰?guī)r為主,時(shí)夾泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖,不利拱壩的壩基（肩）抗滑穩(wěn)定,不適合修建拱壩。因此,建議采用重力壩作為剛性壩代表壩型進(jìn)行比選設(shè)計(jì)。常態(tài)混凝土單價(jià)395 元/m3,細(xì)石混凝土砌毛石365 元/m3,碾壓混凝土325 元/m3,高填充自密實(shí)混凝土砌石332 元/m3,從工程單價(jià)的角度分析,高填充自密實(shí)混凝土砌石較經(jīng)濟(jì),且目前人工單價(jià)較低,機(jī)械化施工從進(jìn)度與投資上都較優(yōu),施工工期比較緊湊,混凝土壩采用的料場均位于壩址上游北東面直線距離約500 m 處山體,基巖為灰?guī)r,在滿足工程質(zhì)量及安全的前提下,考慮選擇高填充自密實(shí)凝土砌石重力壩來作為剛性壩的代表壩型進(jìn)行工程布置,并進(jìn)行壩型比選工作。

2.3 柔性壩壩型適應(yīng)性分析

本工程附近約10 km 范圍內(nèi)沒有足量且適宜建壩的土料,加之工程區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,空氣潮濕,土料天然含水率較高,而土壩對土料含水率控制是質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),當(dāng)?shù)厝照樟枯^少,采取翻曬降低含水率的時(shí)間較少,施工質(zhì)量控制難度較大,因此,本工程不考慮土壩、粘土心墻壩壩型；瀝青混凝土心墻壩在整個貴州省內(nèi)實(shí)施的相對比較少,該壩型施工的工藝復(fù)雜,瀝青混凝土的施工需要專門的施工設(shè)備,并要求施工單位有較成熟的技術(shù)要求,本工程規(guī)模較小,引進(jìn)高水平的施工單位,有一定的難度,故亦不考慮；混凝土面板堆石壩施工的工藝較成熟,一般施工單位均可承接,故以面板堆石壩作為柔性壩的代表壩型進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2.4 壩型比選

2.4.1 水文條件比較

本工程混凝土面板堆石壩與高填充自密實(shí)混凝土砌石重力壩兩種壩型的壩軸線相同,根據(jù)水文興利調(diào)節(jié)計(jì)算,重力壩與混凝土面板堆石壩的壩址控制集水面積、正常蓄水位、死水位、興利庫容、死庫容均相同,僅由于防洪標(biāo)準(zhǔn)不一樣而導(dǎo)致校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、總庫容不同,而兩方案水量利用系數(shù)均為42.1%,以水文條件來看,兩方案條件相當(dāng)。

2.4.2 樞紐布置條件

混凝土砌石重力壩方案可充分利用主河道布置泄水建筑物,樞紐布置緊湊、順暢,后期管理方便。而混凝土面板堆石壩方案,不能利用主河道布置泄洪,泄洪建筑物布置在左岸,采用岸邊式溢洪道布置,溢洪道結(jié)合趾板開挖形成高邊坡,開挖支護(hù)處理工程量大。并且大壩、溢洪道、放空隧洞均布置分散,后期管理不便。

面板堆石壩方案上、下游壩坡為1∶1.4,重力壩方案下游壩坡為1∶0.75,重力壩順?biāo)鞣较虮让姘鍓畏桨付?因此,重力壩方案壩體填筑工程也量小。因此,從樞紐布置來看,重力壩方案具有明顯優(yōu)勢。

2.4.3 工程導(dǎo)流及度汛條件

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件及樞紐布置特點(diǎn),面板堆石壩方案導(dǎo)流方式采用右岸導(dǎo)流兼放空隧洞方案,導(dǎo)流隧洞斷面考慮施工度汛要求,后期采用永臨結(jié)合方式,導(dǎo)流洞后期改造可用于水庫取水兼放空。本工程枯期流量較小,重力壩方案采用鋼管導(dǎo)流,施工方便,投資較少。故從工程導(dǎo)流及度汛條件上看,混凝土砌石重力壩方案略優(yōu)。

2.4.4 施工技術(shù)與條件

壩基開挖方面,由于壩址相同,都處于河谷底部,兩岸坡度平緩,開挖難度均不大。從壩基基坑大小而言,重力壩開挖較深,面板壩開挖較淺,但覆蓋層較厚,面板壩石方出渣量相對較小,但土方開挖出渣量較大。

施工工藝方面,重力壩采用高填充自密實(shí)混凝土筑壩技術(shù),是目前較先進(jìn)的筑壩工藝,施工速度較快。面板壩采用機(jī)械平倉碾壓堆石,也具有快速筑壩的特點(diǎn),但其堆石量較大。

根據(jù)施工安排,面板堆石壩方案工期為16 個月,重力壩方案工期為14 個月。由此看出,面板壩施工期較長,度汛要求較高,制約水庫建成工期。故混凝土砌石重力壩方案具有較明顯優(yōu)勢。

2.4.5 工程占地、水庫環(huán)境影響及水土保持條件

重力壩樞紐區(qū)的工程占地為6.14 畝,面板壩樞紐區(qū)的工程占地為18.63 畝；面板堆石壩方案的樞紐建筑土石方開挖量較大,施工面分散,增加了地表擾動面積和水土流失量,雖然面板堆石壩方案的填筑料可以充分利用開挖渣料,但棄渣量仍然較大；兩方案庫區(qū)淹沒基本一致,主要區(qū)別在于樞紐占地,由于面板壩較重力壩壩坡緩,其樞紐占地大于混凝土砌石重力壩方案。因此在工程占地、水庫、環(huán)境影響及水土保持條件下混凝土砌石重力壩方案較優(yōu)。

2.4.6 投資比較

兩方案的投資見表1,由表1 可知,混凝土面板壩方案投資較高,高填充自密實(shí)混凝土砌石重力壩方案較優(yōu)。

表1 壩型投資比較表

2.4.7 比選結(jié)果

通過上述綜合比較,雖然兩種壩型適應(yīng)性均可,但高填充自密實(shí)混凝土砌石重力壩方案就樞紐布置、后期管理、工程施工、環(huán)評水保影響、工程投資等各方面均占有優(yōu)勢,因此,推薦高填充自密實(shí)混凝土砌石重力壩作為本階段推薦壩型。

3 大壩應(yīng)力分析及抗滑穩(wěn)定計(jì)算

3.1 壩體應(yīng)力計(jì)算

壩體應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)法計(jì)算,根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319-2018）的規(guī)定,在各種荷載組合下,壩基面垂直正應(yīng)力小于混凝土容許壓應(yīng)力和地基的容許承載力；壩基面最小垂直正應(yīng)力為壓應(yīng)力,壩體最大主應(yīng)力應(yīng)小于混凝土容許壓應(yīng)力。計(jì)算公式如下：

壩體壩基應(yīng)力計(jì)算成果見表2。

表2 壩體壩基應(yīng)力計(jì)算成果

高填充自密實(shí)混凝土砌石的極限抗壓強(qiáng)度為11.6 MPa,混凝土抗壓安全系數(shù),基本組合為4.0,特殊組合為3.5,則混凝土容許壓應(yīng)力基本組合為2.90 MPa,特殊組合為3.31 MPa；地基容許承載力1.6 MPa~2.0 MPa。由上表計(jì)算成果可知,在正常和校核工況下,應(yīng)力計(jì)算成果和地基承載力均滿足規(guī)范要求。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

大壩右岸有F1 斷層通過,巖性破碎,水位較低,斷層影響帶3 m~10 m,斷層下盤為（T1y2-1）泥灰?guī)r與泥頁巖互層地層,軟弱層泥頁巖厚5.0 m~6.6 m,大壩以泥頁巖軟弱層面為滑移面或以順河向巖層視傾角層面為滑移面,以F1 斷層為臨空面和側(cè)裂面,形成壩體向下游河床滑動,采用抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算,見下式,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算

從計(jì)算成果可知,在正常和校核工況下,基本組合情況K'>3.0,特殊組合情況K'>2.5,故壩體深層抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

為確保頂云哨水庫樞紐具有可靠的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)型,建立綜合優(yōu)選體系對建壩地質(zhì)、壩型、結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)分析論證,優(yōu)選出地形地質(zhì)適應(yīng)性好,設(shè)計(jì)方案合理的壩型,為工程建設(shè)提供了重要技術(shù)保障。頂云哨水庫壩體比選過程得出如下結(jié)論：

（1）從地形、地質(zhì)及壩高上看壩址處建剛性壩或柔性壩均適宜,故選擇重力壩、面板堆石壩兩種壩型進(jìn)行比較。根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件,結(jié)合水工設(shè)計(jì),推薦方案總體布置為高填充自密實(shí)混凝土砌石重力壩。

（2）壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定性計(jì)算表明,要求工況下壩體最大應(yīng)力和地基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求?？够€(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范指標(biāo),壩體安全可靠。