关于对鸭儿沟水库枢纽工程布置的几点思考

2013-09-25白选义张学超

陕西水利 2013年6期

白选义张学超

（1.礼泉县水政水资源办公室陕西礼泉 713200；2.礼泉县水利工作队陕西礼泉 713200）

1 鸭儿沟水库流域概况

黑河为达溪河右岸一级支流，于鸭儿沟村南村汇入达溪河。流域面积4255km2，全长168km，河道平均比降2.9‰。干流河口以上14.2km处的河川口汇入其最大支流达溪河。在鸭儿沟附近建设水库，主要任务是向大唐矿区工业及两县城村居民生活供水，兼有减淤、发电等作用。

2 鸭儿沟水库枢纽工程布置

2.1 布置原则

枢纽布置要保证各种建筑物在正常工作条件下都能正常工作，在满足建筑物的强度和稳定的条件下使枢纽的总造价和年运行费用最低，充分发挥水库枢纽综合效益，尽可能使一种建筑物发挥多种作用。枢纽布置应与施工导流、施工方法、施工进度结合起来统一考虑，便于施工，并尽可能缩短工期。对于均质土坝，应设置开敞式溢洪道。

2.2 坝址枢纽布置方案比选

根据不同正常蓄水位调水调沙计算结果，鸭儿沟水库正常蓄水位为893m。结合地形、地质条件，枢纽布置有两种组合方案：一是将溢洪道、泄洪排沙洞和输水洞均布置于右岸，平面布置三种建筑物的进口；由临河面向外依次为泄洪排沙洞、输水洞、溢洪道。二是将溢洪道、泄洪洞和输水洞均布置于右岸，平面布置三种建筑物的进口；由临河面向外依次为溢洪道、泄洪排沙洞、输水洞。通过比较，方案一从工程投资、施工条件、建成后的运行条件等方面明显优越，故选定方案一为本工程枢纽布置的推荐方案，即：溢洪道、泄洪洞和输水洞均布置于右岸，平面布置上三种建筑物的进口，由临河面向外依次为泄洪排沙洞、输水洞、溢洪道。

3 鸭儿沟水库大坝设计

3.1 坝型比选

根据坝址所处地形地貌，拦河大坝可供选择的坝型有土石坝和重力坝两种坝型。由于坝址处坝基均为强度较低的砂砾石和页岩互层结构，坝肩第四系覆盖层厚度较大，岩石面高程较低，强度较低的砂页岩互层区不宜修建重力坝等坝型。根据工程区建筑材料分布，坝址左右两岸分布有6个土料场，有丰富的土料资源，从数量上完全满足鸭儿沟水库筑坝需要；土料的物理力学指标均可满足碾压均质土坝对上坝土料的质量要求；各土料场分布高程可满足不同坝高填筑时的用料要求，便于机械化施工。由于坝址处河谷开阔，土料丰富，且修建的坝高没有超过50m，综合分析，鸭儿沟水库适宜修建土石坝。修建方案有两种：均质土坝和心墙坝。根据心墙坝设计成果，防渗心墙沿坝轴线布置于坝体中部，填筑黄土、黄土状壤土的混合土；心墙外侧均为坝壳料体，填筑开采石料、河滩砂砾石及施工弃渣料；心墙坝可利用部分施工弃料。但该方案需开挖大量坝壳料，施工较复杂，工期较长，弃料量大，对水土保持不利，环境影响较大。而均质土坝方案可以充分利用当地丰富土料资源，施工工艺简单，工期短，水土保持措施较简单，对环境影响较小。经过对比，均质土坝工程投资最低，确定鸭儿沟水库坝型选用碾压式均质土坝。

3.2 坝顶高程的确定

鸭儿沟水库工程为大（2）型等中型工程，大坝为2级建筑物。水库正常蓄水位为893m，设计洪水位为893.09m，校核洪水位895.68m，坝顶高程由水库静水位与坝顶超高之和决定。地震区土石坝的安全超高应包括地震涌浪高度，可根据设计烈度和坝前水深，取地震涌浪高度为0.5m～1.5m。由于本工程区地震烈度为Ⅵ度，可不考虑地震情况。计算采用参数：鸭儿沟坝址水库吹程为1.5km，库区多年平均最大风速为15m/s，正常运用采用多年平均最大风速的1.5倍，即22.5m/s；非常运用采用多年平均最大风速15m/s。坝顶超高计算公式：

Y=R+e+A

式中，Y——坝顶超高，m；

R——波浪爬高，m；

e——最大风壅高度，m；

A——安全加高，m，依据规范按正常与非常情况分别取1.0m和0.5m。

并根据以下四种情况进行计算，一是设计洪水位+正常运用情况的坝顶超高；二是正常蓄水位+正常运用情况的坝顶超高；三是校核洪水位+非常运用情况的坝顶超高；四是正常蓄水位+非常运用情况的坝顶超高+地震安全加高，计算结果见表1。

从表1计算结果看，工况3即校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高897.20m为控制工况。考虑到本阶段设计资料的精度，为安全期间，坝顶高程留有一定安全富裕，初步确定坝顶高程为897.5m。为了使坝体投资更显经济，在规范允许的范围内本次对坝的上部构造采用在坝顶上游侧加设防浪墙的型式，防浪墙净高为1.2 m，这样坝顶高程为896.3m。

表1 坝顶高程计算成果表

表2 坝体土料和坝基岩土物理力学指标选用表

4 鸭儿沟水库坝体渗流计算

4.1 渗流参数选择

坝体渗透计算是为了确定设计情况下的浸润线及等势线，以进行坝坡稳定分析，计算渗漏量、渗透坡降，判断渗透稳定性，确定坝体浸润位置。大坝渗流计算断面选取河床段坝体最大断面，计算时建议坝体渗透系数为6.14×10-6cm/s，坝基在4m厚砂卵石情况下取值6.5×10-2cm/s，在20m厚风化砂岩时取值为1.56×10-3cm/s，在16m厚弱风化砂砾岩取值为4.823×10-5cm/s。

4.2 工况选择与渗流计算

大坝渗流计算应按4种工况进行计算：上游正常蓄水位与下游相应的最低水位，上游设计洪水位与下游相应的水位，上游校核洪水位与下游相应的水位，库水位降落时上游坝坡最不利的情况。结合工程本身特点，由于洪水历时较短，且水库水位变化不大，渗流主要计算两种情况：一是上游正常蓄水位893m、下游无水情况下的稳定渗流计算；二是为正常蓄水位893m、下游无水情况下，采用泄洪洞排空库水时水位降落的最不利情况。由于水位降落不稳定渗流，计算上游正常蓄水位893m与下游相应的最低水位时大坝的浸润线、等势线及坝体、坝基渗透坡降及渗漏量。采用《土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序》进行计算。在工况1时，渗透坡降最大值为2.1，在工况4时，渗透坡降最大值为1.3，则允许坡降为4，均小于允许渗透坡降，坝体和坝基的单宽渗漏量为q=5.95m3/d·m，说明坝体填土渗透正常，不会发生渗透破坏。

5 坝体稳定计算

大坝计算断面选取河床段坝体最大断面，计算所采用的土料和坝基岩土相关参数详见表2。

由于本工程震基本烈度为Ⅵ度，故不考虑渗流工况4；工况1为施工期坝体竣工还未蓄水时的上、下游坝坡的稳定，由于缺乏施工期坝体填筑土实测资料，故本阶段不考虑；工况2为大坝上游正常蓄水位893.0m、下游无水、坝体稳定渗流时的上、下游坝坡的稳定；工况3为大坝上游正常蓄水位893.0m、下游无水情况下，采用泄洪洞排空库水时水位降落期的上游坝坡的稳定。对于工况3的浸润线，由于坝身渗透系数较小，坝身内渗流自由水面在水位降落后仍保持有总水头的90%左右，可近似认为坝身浸润线基本保持原位置不变，故可按照水位开始降落前的浸润线位置进行上游坝坡的稳定分析，这样也较为安全。

经计算，上游坝坡正常蓄水位骤降到低水位时，稳定安全系数为1.422，最小安全系数为1.25，正常蓄水位稳定渗流时，稳定安全系数为1.508，最小安全系数为1.35；下游坝坡正常蓄水位稳定渗流时，稳定安全系数为1.473，最小安全系数为1.3。可以看出：各工况下计算所得最小安全系数均大于规范规定值，表明大坝上、下游坝坡满足规范要求，不会发生稳定破坏。