楊廣省

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

建立科學(xué)有效的水庫(kù)壩型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)水庫(kù)建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義[1]。水庫(kù)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(cuò)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(guó)內(nèi)學(xué)者常常采用主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行壩型設(shè)計(jì)優(yōu)選,但分析過(guò)程具有隨機(jī)性和模糊性特點(diǎn)[2-3]。本文以頂云哨水庫(kù)壩體為研究對(duì)象,開(kāi)展壩型比選研究,建立適宜的評(píng)價(jià)體系,為水庫(kù)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(kù)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(zhǎng)1.69 km,河床平均比降75‰。頂云哨水庫(kù)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(kù)設(shè)計(jì)供水量為35.8 萬(wàn)m3/a，其中向永寧鎮(zhèn)供水32.9 萬(wàn)m3/a，養(yǎng)馬村供水2.88 萬(wàn)m3/a。頂云哨水庫(kù)總庫(kù)容36.6 萬(wàn)m3,水庫(kù)樞紐工程等別為Ⅴ等,工程規(guī)模為?。?）型；水庫(kù)總供水量為35.8 萬(wàn)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)模屬小（2）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(zhǎng)約0.45 km,河床較平緩,河道呈“S”型彎曲,無(wú)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(duì)稱(chēng)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(duì)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(jiàn)的為重力壩與拱壩。從地形條件來(lái)說(shuō),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(lái)說(shuō),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(chǎng)均位于壩址上游北東面直線(xiàn)距離約500 m 處山體,基巖為灰?guī)r,在滿(mǎn)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(lái)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(méi)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(rùn)氣候,空氣潮濕,土料天然含水率較高,而土壩對(duì)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(gè)貴州省內(nèi)實(shí)施的相對(duì)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(zhuān)門(mén)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(xiàn)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(kù)容、死庫(kù)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(kù)容不同,而兩方案水量利用系數(shù)均為42.1%,以水文條件來(lái)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(kāi)挖形成高邊坡,開(kāi)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(lái)看,重力壩方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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(kù)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?xún)?yōu)。

2.4.4 施工技術(shù)與條件

壩基開(kāi)挖方面,由于壩址相同,都處于河谷底部,兩岸坡度平緩,開(kāi)挖難度均不大。從壩基基坑大小而言,重力壩開(kāi)挖較深,面板壩開(kāi)挖較淺,但覆蓋層較厚,面板壩石方出渣量相對(duì)較小,但土方開(kāi)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(cāng)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(gè)月,重力壩方案工期為14 個(gè)月。由此看出,面板壩施工期較長(zhǎng),度汛要求較高,制約水庫(kù)建成工期。故混凝土砌石重力壩方案具有較明顯優(yōu)勢(shì)。

2.4.5 工程占地、水庫(kù)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(kāi)挖量較大,施工面分散,增加了地表擾動(dòng)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(kāi)挖渣料,但棄渣量仍然較大；兩方案庫(kù)區(qū)淹沒(méi)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(kù)、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(jiàn)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(guò)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(píng)水保影響、工程投資等各方面均占有優(yōu)勢(shì),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(jiàn)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(mǎn)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(guò),巖性破碎,水位較低,斷層影響帶3 m~10 m,斷層下盤(pán)為（T1y2-1）泥灰?guī)r與泥頁(yè)巖互層地層,軟弱層泥頁(yè)巖厚5.0 m~6.6 m,大壩以泥頁(yè)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(dòng),采用抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算,見(jiàn)下式,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

為確保頂云哨水庫(kù)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(duì)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(kù)壩體比選過(guò)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(mǎn)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。