唐河水库大坝设计及稳定分析

孛永平

(山西省水利水电勘测设计研究院,山西太原030024)

0 引 言

唐河水库位于山西省灵丘县东河南镇韩淤地村西170 m,距灵丘县城约22 km,地理位置介于北纬37°22′～ 39°24′、东经 113°57′～ 114°01′之间。唐河属海河流域大清河水系,坝址以上控制流域面积457 km2。唐河水库为综合利用水库,工程任务为:以水力发电、工业供水和农业灌溉为主,兼顾防洪。水库工程等别为Ⅳ等,总库容950×104m3,洪水标准为50 a一遇洪水设计,1 000 a一遇洪水校核,地震基本烈度Ⅶ度。枢纽工程包括拦河坝、泄洪闸、灌溉洞、供水管道、厂房以及尾水渠等。拦河大坝包括混凝土面板堆石坝和混凝土重力坝,坝顶高程1 067.400 m,最大坝高30.4 m,坝顶宽6 m,混凝土面板堆石坝坝长279.5 m,上、下游坝坡均为1∶1.4,混凝土重力坝坝长69 m,上游坝面1 048.000 m高程以上为竖直面,以下坡比为1∶0.15,下游 1 059.4 m高程以下坡比 1∶0.75,以上为直立面。校核洪水位1 065.270 m,设计洪水位1 061.460 m,正常蓄水位1 064.000 m。

唐河水库库区属于低山丘陵地区,两岸地形相对高差为20 m～80 m。唐河河谷宽为0.4 km～1.0 km,纵向坡度约为 8‰。唐河河谷呈宽“U”字形,两岸冲沟颇为发育,基本上与唐河垂直。大部分边坡基岩裸露,岸坡较陡。水库蓄水后不存在永久性渗漏问题。在天然状态下,库岸岸坡是稳定的。

本文对唐河水库[1-2]混凝土面板堆石坝和混凝土重力坝以及泄洪冲砂闸进行了设计,同时对混凝土重力坝的应力和坝基抗滑稳定进行了计算分析,以及根据规范校核了泄洪闸稳定性,论证了枢纽工程设计的合理性。

1 工程概况

1.1 地质地形条件

唐河水库坝址区河谷呈“U”字形,谷底宽360 m左右,地面高程为1048 m～1 050 m。河谷地势开阔平缓,谷底由河床和漫滩组成,两岸未见阶地发育。两岸山体边坡较陡,坡度为30°～ 45°,基岩裸露,在山坡上为黄土覆盖,与谷底相对高差一般为20 m～80 m。在坝轴线左岸上游和右岸下游附近发育“V”字形冲沟,沟内有泉水出露。坝址区河谷地段曾两次施工开挖,在河槽北留下一长155 m,宽48 m～75 m的基坑,四周堆积卵石混合土。在原重力坝轴线上游21 m处有一截水墙,南至南山坡脚,北至北跃渠南岸,上下游回填有约6 m厚的红粘土,左右两坝肩均为人工开挖后的堆积物。

坝址区地层岩性主要为太古界五台群老潭沟组变质岩、燕山期侵入岩及第四系松散堆积物。坝址区处于燕山沉降带与山西中台隆交接部位,起控制作用的地质构造是唐峪河～唐河大断裂,该大断裂在坝址区上游的蔡家峪村附近,受唐峪河～唐河大断裂影响,坝址区发育有次级断裂,岩体较破碎。坝址区基岩属古老的结晶岩,又处于特殊的构造部位,受多期构造活动形成的断层、节理的影响,同时受多期次侵入岩体的制约,岩体破碎、完整性差,坝址区岩体风化较为强烈,风化深度较大,地表出露的岩体风化程度较高,为全风化和强风化层。坝址区土体和浅部岩体的透水性较强。

1.2 工程布置

结合唐河水电站坝址地区的地形地质、施工工程量、筑坝材料以及电站建成后的运行管理等条件,经过比选,选择合理的枢纽布置方式,即挡水建筑物主体为混凝土面板堆石坝,灌溉洞和供水发电引水管进口、混凝土泄洪闸集中布置在左岸重力坝段,引水和泄水建筑物的布置可以比较灵活,同时也便于管理。

唐河水库枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、混凝土重力坝、泄洪冲砂闸、灌溉洞、供水发电取水口等组成。坝轴线位于已建截水槽下游约40 m处,坝轴线近南北向,呈直线布置,坝顶长395.0 m,宽6 m,坝顶高程1 067.400 m,最大坝高30.4 m。大坝从左岸至右岸,依次布置混凝土重力坝、灌溉洞、供水发电引水管进口、泄洪冲沙闸、混凝土面板堆石坝段。其中桩号0+000～0+069为混凝土重力坝(桩号0+044.4布置灌溉洞、0+058.5布置供水发电引水管进口),桩号0+069～0+115.5布置泄洪闸,桩号0+115.5～0+395为混凝土面板堆石坝。供水发电钢管从坝体穿过,在坝后设阀门控制,出阀门后从坝下游横穿河床,沿唐河右岸行19.12 km至东驼水与高家庄之间布置水电站。工程平面布置图如图1所示。

2 大坝设计

从枢纽总布置来看,采用混凝土重力坝时引水和泄水建筑物的布置比较灵活,便于管理,但从筑坝材料来看,当地砂料不能直接作为混凝土重力坝细骨料,而混凝土面板堆石坝方案对块石料和砂砾料要求较低,坝址附近有丰富的石料和砂砾料可供利用,同时从基础处理来看,重力坝对坝基要求较高,而坝址处坝基岩体较破碎,完整性较差,且需清除8 m～15 m的覆盖层和强风化层,坝基处理工程量大,混凝土面板堆石坝对基础要求低,覆盖层砂砾料可直接做为坝基,基础处理工程量小。因此,唐河水库拦河大坝采用混凝土面板堆石坝和混凝土重力坝结合的布置形式,挡水建筑物主体为混凝土面板堆石坝,灌溉洞和供水发电引水管进口、混凝土泄洪闸集中布置在左岸重力坝段。

2.1 坝顶高程确定

图1 唐河水库枢纽工程平面布置图

唐河水库挡水建筑物主体为混凝土面板堆石坝,坝长279.5 m,上游坝坡均为1∶1.4,混凝土重力坝坝长69 m,上游面直立。波浪在斜坡上的爬高大于在直立面上的爬高,因此,坝顶高程按混凝土面板坝坝顶高程控制。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和,计算各种工况(表1)下的坝顶高程,取其最大值:①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高。②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高。③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高。④正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高,再加地震安全加高。唐河水库正常蓄水位1 064.00 m,设计洪水位1 061.460 m,校核洪水位1 065.270 m,多年平均最大风速15.0 m/s,水库吹程1.9 km,地震安全加高0.8 m,计算结果见表2。

表1 大坝分析计算工况

表2 坝顶高程计算成果

由表2可知,考虑防浪墙挡水,防浪墙一般会高出坝顶1.0 m,故将坝顶高程定为1 067.400 m,此时防浪墙顶高程为1 068.400 m,大于表2中计算出的坝顶高程最大值1 067.974 m,能够满足规范要求。故最终将坝顶高程定为1 067.400 m,最大坝高为30.4 m。

2.2 混凝土面板堆石坝

桩号0+115.0～0+395.0段为混凝土面板堆石坝,采用钢筋混凝土面板防渗,堆石作坝壳,坝顶高程1 067.4 m,趾板基础最低高程1 037.0 m,最大坝高30.4 m,上、下游坝坡为1∶1.4,坝顶宽度采用6.0 m。坝顶公路为25 cm厚的混凝土路面,路面横向坡度1%,坡向下游,以便排除坝顶积水。坝顶上游侧设高度为3.8 m的钢筋混凝土防浪墙,墙顶高出坝顶面1.0m,下游侧设置20 cm宽、60 cm高的混凝土路缘石,防浪墙底部高程1 064.60 m,坝顶上游侧紧靠防浪墙设电缆沟。混凝土面板堆石坝填筑材料主要有砂砾料和石料,混凝土粗、细骨料,另外还有少量粘土料。坝体自上游向下游分为垫层区、过渡层区、主堆石区、下游堆石区,周边缝下游设垫层小区。坝体分区以及面板堆石坝典型断面如图2所示。

图2 混凝土面板堆石坝典型断面(单位:m)

2.3 混凝土重力坝

混凝土重力坝布置在桩号0+000～0+069,长69 m,分4个坝段,坝顶高程1 067.40 m,坝顶宽度6 m,最大坝高30.4 m。上游坝面1 048.000 m高程以上为竖直面,以下坡比为1∶0.15,下游1 059.400 m高程以下坡比1∶0.75,以上为直立面。最大坝底宽度24.45 m。坝顶上游侧设钢筋混凝土防浪墙,高1.0 m,墙顶高程1 068.400 m。混凝土重力坝的典型断面如图3所示。地基处理,挖除混凝土重力坝基础范围内的河床覆盖层及强风化岩石,使坝体座落在弱风化基岩上,建基面以1%的坡度向上游倾斜,为确保坝体侧向稳定,把岸坡开挖成台阶状。对穿越坝基的断层、夹层、破碎带和岩脉等,开挖后回填混凝土。为提高坝基岩体的整体性,减少坝基渗漏,对坝下基岩进行固结灌浆和帷幕灌浆。

图3 混凝土重力坝典型断面(单位:m)

2.4 泄洪闸

唐河枢纽工程泄洪闸[3]布置在河床左段、面板堆石坝与混凝土重力坝之间,轴线与坝轴线垂直,布设5孔净宽为5 m×6.5 m的闸孔,总长159.43 m,泄洪闸整体布置如图1所示。由进口段、闸室段、消力池及下游海漫组成。泄洪闸进口段长35.93 m(桩号泄0-038.54～泄0+000),右侧翼墙与混凝土面板坝相接;桩号泄0+000～泄0+026.5为闸室段,长26.5 m,进口是带胸墙的宽顶堰,闸底板高程1 048.00m,闸室总宽46.5m。泄洪闸设有5扇弧形工作闸门,采用液压启闭机启吊,弧门支铰桩号泄0+015.693,高程1 055.0 m;弧门上游侧布置检修叠梁门;在闸墩顶部桩号泄0+004.25～泄0+010.25布置交通桥,连接混凝土面板堆石坝和重力坝坝顶,桥面高程1 067.4 m,桥面宽6.4 m;闸室后接消力池,消力池尺寸为35 m×41.5 m×3 m,消力池前设一段陡坡,长12 m,陡坡坡度 1∶4.0;消力池出口布设长50 m,宽41.5 m～53.8 m的海漫为防止水库泄流时对面板坝下游坝脚及北跃渠的冲刷破坏,在海漫左右侧分别做50 m、25 m长的导流墙,左右侧导流墙与海漫轴线夹角分别为4°和10°,泄洪闸典型断面图如图4所示。

3 大坝稳定分析

对于唐河水库枢纽工程来说,混凝土重力坝段和泄洪闸室段的稳定问题相对来说比较突出,因此,需要进一步对重力坝以及闸室进行稳定和应力分析。

3.1 混凝土重力坝

3.1.1 抗滑稳定计算

根据规范[4],大坝坝基面抗滑稳定按抗剪断公式进行计算:式中:K′抗滑稳定安全系数;∑W为作用于建基面以上的力在铅直方向的投影(kN);∑P为作用于建基面以上的力在水平方向的投影(kN);U为作用于建基面上的扬压力(kN);f′为建基面上的抗剪断摩擦系数;c′为建基面上的抗剪断凝聚力;A为建基面面积(m2)。

图4 泄洪闸典型断面(单位:m)

3.1.2 应力计算

坝基及坝体垂直正应力依据规范[4]进行计算,计算公式如下:

式中:σy为坝体上、下游面的垂直应力(kPa);∑W 为作用于计算截面以上的力在铅直方向的投影(kN);∑M为作用于计算截面上的力矩的总和(kN·m);X为计算截面上计算点到形心轴的距离(m);A为计算截面面积(m2);J为计算截面对形心轴的惯性矩(m4)。

3.1.3 计算成果分析

对混凝土重力坝坝体进行抗滑稳定分析计算,选取混凝土重力坝段最大坝高断面为计算断面进行计算,计算结果见表3。计算结果表明,在最不利的工况下其坝基抗滑稳定安全系数[5-6]最小,为3.26,大于规范规定的最小安全系数2.3,能够满足规范要求。可见,在各种工况下,大坝坝基是稳定的,坝基抗滑稳定能够满足要求。采用规范[4,7-9]方法,针对不同工况组合,计算了坝基及坝体应力,其计算成果见表4。由表4可见,坝基面最大垂直正应力为539.8 kPa,小于坝基容许压应力,坝体最大垂直正应力为357.1 kPa,小于混凝土容许压应力,遭遇地震时,坝踵垂直正应力为114 kPa,坝体上游面垂直正应力为153.8 kPa,其它组合情况下,坝基最小垂直正应力为89.7 kPa,坝体最小垂直正应力为69 kPa,满足规范要求。

表3 坝基抗滑稳定安全系数

3.2 泄洪闸

3.2.1 抗滑稳定计算

根据规范[7],泄洪闸闸室基底抗滑稳定按抗剪断公式进行计算,公式如下:式中:K′抗滑稳定安全系数;∑W为作用于基岩面上的力在铅直方向的投影(kN);∑P为作用于基岩面上的力在水平方向的投影(kN);U为作用于计算截面上的扬压力(kN);f′为基岩面上的抗剪断摩擦系数;c′为基岩面上的抗剪断凝聚力;A为计算截面的截面积(m2)。

3.2.2 应力计算

泄洪闸闸室和挡土墙基底应力计算公式如下:

式中:σmin,σmax分别为基底应力的最小值、最大值(kPa);∑W为作用于基底面上的力在铅直方向的投影(kN);∑M为作用于基底面上力矩的总和(kN·m);X为计算截面上计算点到形心轴的距离(m);A为基底面面积(m2);J为基础底面对形心轴的惯性矩(m4)。

3.2.3 计算成果分析

泄洪闸建造于岩基上,泄洪闸闸室基底抗滑稳定[10]和应力分析计算成果见表5,由表5可见,在各种工况下,泄洪闸闸室基底抗滑稳定安全系数均大于规范允许值。而泄洪闸翼墙在泄洪闸不过流时出现最不利工况,此时,泄洪闸翼墙以及消力池边墙抗滑稳定安全系数分别为4.00和2.19,均大于规范允许值1.2;消力池边墙在空池时为最不利工况,闸翼墙以及消力池边墙抗倾稳定安全系数分别为5.93和2.74,均大于规范允许值1.1。故闸室基底抗滑稳定和应力以及泄洪闸翼墙和消力池边墙稳定均能够满足规范要求。

表5 闸室基底抗滑稳定和应力计算成果

4 结 语

(1)本文主要对唐河水库混凝土面板堆石坝和混凝土重力坝以及泄洪冲砂闸进行了设计。重力坝应力和坝基抗滑稳定计算分析结果表明,在最不利工况下坝基抗滑稳定安全系数为3.26,大于规范规定的最小安全系数2.3,坝基面最大垂直正应力为539.8 kPa,小于坝基容许压应力,坝体最大垂直正应力为357.1 kPa,小于混凝土容许压应力,满足规范要求。

(2)泄洪闸闸室基底抗滑稳定和应力分析计算成果表明,在各种工况下,泄洪闸闸室基底抗滑稳定安全系数均大于规范允许值。而泄洪闸翼墙在泄洪闸不过流时出现最不利工况,此时,泄洪闸翼墙以及消力池边墙抗滑稳定安全系数分别为4.00和2.19,均大于规范允许值1.2;消力池边墙在空池时为最不利工况,闸翼墙以及消力池边墙抗倾稳定安全系数分别为5.93和2.74,均大于规范允许值1.1;最大垂直正应力为465.4 kPa,小于混凝土容许压应力。故闸室基底抗滑稳定和应力以及泄洪闸翼墙和消力池边墙稳定均能够满足规范要求。

(3)在各种工况下,大坝和泄洪闸的稳定和应力均能满足规范要求,综合分析论证了设计的合理性。

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