贵州晴隆三块田水库混凝土砌石重力坝设计分析

2015-02-25冯建江

黄河水利职业技术学院学报 2015年2期

关键词：砌石重力坝坝体

冯建江

（贵州省黔西南州水利电力勘测设计院，贵州兴义 562400）

贵州晴隆三块田水库混凝土砌石重力坝设计分析

冯建江

（贵州省黔西南州水利电力勘测设计院，贵州兴义 562400）

贵州晴隆三块田水库是一座以灌溉为主，兼顾供水的综合工程。通过对地质条件和工程特性的分析，采用在原坝址新建混凝土砌石重力坝的方案。分析了混凝土砌石重力坝的结构构造，探讨了其结构的优化设计措施。

贵州晴隆；三块田水库；砌石重力坝；结构布置；优化设计

1 工程概况

三块田水库位于贵州省晴隆县东北部的长流乡长流村境内，河流属珠江流域北盘江一级支流长流小河上游河段。水库任务以灌溉为主，供水为辅。设计灌溉面积为100 hm2，主要分布在长流乡的长流和西流2个村。供水主要以长流乡镇居民为主。水库校核洪水位为1 272.60m，总库容为24.6万m3，正常蓄水位为1 271.50m，相应库容为20.4万m3。《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，水库总库容大于10万m3小于100万m3时，为小（2）型水库，工程等别小于V等［1～2］。

原坝址地形为不对称的“V”型谷。大坝填筑后，左右岸坡较缓，边坡稳定，多年来未见破坏现象。坝区一带出露地层为中生界三叠系中统关岭组（T2g1）地层，地貌具有岩溶地貌特征，整体具有山盆期地貌特点。出露地层岩性为灰色薄至中厚层白云岩、泥质白云岩夹少量紫色薄层泥岩。白云岩为灰色，岩质较硬，岩石完整，岩芯柱状；泥质白云岩为灰色，岩质较硬，岩石较完整，岩芯呈块状和短柱状；紫色薄层泥岩岩质较软，岩石较完整，岩芯呈块状和短柱状。根据钻探情况，原大坝建于强风化层上，坝基和坝肩存在渗漏现象，需进行防渗帷幕灌浆处理［3］。另外，坝体表面也有沉降现象。为了满足灌溉和供水要求，需对原坝进行除险加固或另建新坝。

受地形条件限制，原坝址上下游均宽缓，加之地质条件较复杂，不适宜大坝建设。于是，考虑在原有坝区进行方案优化，即，对原坝进行增高扩建，或在原坝址上新建一挡水坝。老坝坝体填筑材料物理力学指标偏低，渗透率较强，防渗较差，若进行加高扩建，坝体稳定性较差，渗漏严重。另外，土坝坝顶不能过流，还需设置泄洪洞。经综合考虑，决定撤除老坝坝体，新建一挡水坝。

浆砌石坝具有施工技术简单、施工度汛风险小、施工工期受天气影响小、工程造价低等优点。从坝址区的地形地貌和地质情况看，坝址区基岩出露，岩性以白云岩和泥质白云岩为主，左坝肩上部约300m处有白云质灰岩和灰岩出露，其质量和储量以及地基承载力均能满足工程需要，取料也较容易，施工难度也较小，适宜修建浆砌石重力坝。同时，可以在坝上修建溢流面，充分利用浆砌石重力坝坝身泄洪的优点［4］。所以，该工程选用了混凝土浆砌石重力坝。

2 混凝土浆砌石重力坝结构布置

2.1 混凝土浆砌石重力坝枢纽平面布置

三块田水库枢纽由浆砌石重力坝、大坝中部溢洪道、右岸取水兼放空管等组成，枢纽平面布置如图1所示。

2.2 主要水工建筑物设计

2.2.1 挡水建筑物

大坝坝轴线位于原坝轴线上，坝顶高程为1 273.50m，坝顶宽为5m，坝底宽为31.0m。右岸非溢流坝段桩号为0＋000～0＋051.5，溢流坝段桩号为0＋072.5～0＋080.5；左岸非溢流坝段桩号为0＋080.5～0＋116.9，上游坝坡1273.50～1259.00m高程为垂直段，1 259.00～1246.50m高程为1∶0.2；下游坝坡1 273.50～1 270.74m高程为垂直段，1 270.74～1 246.50m高程为1∶0.8。上游侧用M10.0浆砌C10混凝土预制块护面，防渗墙混凝土强度等级为C20W6。防渗墙嵌入基岩1～1.5m，厚度为1／30～1／20倍水头，底厚1.5m，顶厚0.5m。坝体内部采用C10混凝土砌毛石。为充分降低两岸岩体和地基中的地下水和扬压力［5］，在防渗帷幕的下游2.5m处设置坝基排水。

图1 浆砌石重力坝枢纽平面布置Fig.1 Plane of masonry gravity dam junction

2.2.2 溢洪道

溢洪道布置于大坝中部，桩号为0＋072.5～0＋80.5。溢流堰采用WES型实用堰，堰面方程为y＝0.362x1.85，堰顶高程为1 271.5m，边墩厚1.5m，溢流前沿宽5m。堰面采用1∶0.8的斜坡相连，反弧半径R＝7m。出口采用挑流消能，挑流鼻坎最低点高程为1 256.16m，挑流鼻坎高程为1 257.00m，挑角为20°，最大下泄流量为12.8m3／s。为防止水流对溢洪道的冲刷，使溢洪道能满足抗冲要求，溢洪道溢流面板采用C20钢筋混凝土浇筑。挑流段至消力池底板开挖到设计高程后，在基岩面上现浇C20混凝土防冲，每隔10m设一温度伸缩沉降缝。导水边墙采用C20钢筋混凝土浇注而成。

2.2.3 取水兼放空管

取水口位于坝体右侧，坝轴线桩号为0＋36.5，底板高程为1259.21m。取水形式为坝内埋管（坝内埋管管长35m），取水管管径为φ800。在取水管进口设置拦污栅及检修闸门，取水管出口设φ800工作闸阀。

放空冲沙底孔布置在坝体中部，坝轴线桩号为0＋51.5，进口底板高程为1 258.00m，闸门井形式为塔式。冲沙底孔进口设一道检修钢闸门和一道工作钢闸门，闸门井外包C20钢筋混凝土（尺寸为6m× 6m）。底孔断面形式为矩形，孔口尺寸为1.0m×1.0 m（b×h）。底孔采用C20钢筋混凝土浇注而成，混凝土厚为0.5m，最大冲沙流量为2.8m3／s。

3 混凝土浆砌石重力坝结构优化设计计算

3.1 大坝坝顶高程

三块田水库设计洪水位为 1 272.60 m （P＝0.5%），最大下泄流量为12.8m3／s，校核洪水位（P＝5%）为1272.30m，最大下泄流量8.28m3／s，水库总库容为24.6万m3。根据来水及用水调节计算，水库正常蓄水位为1271.5m，溢流堰顶高程与正常高水位一致。计算风速正常情况取W＝21m／s，校核情况取W＝14m／s，计算吹程D＝300m。按正常运用情况和非正常运用情况［5］分别计算，得坝顶高程如表1所示。

表1 坝顶高程计算成果表Table 1 Dam crest elevation calculation results

由表1可知，校核洪水位情况下，防浪墙顶高程为1274.10m，设计洪水位防浪墙顶高程为1274.50 m。根据规范，坝顶高程不低于校核洪水位。经比较，取坝顶高程为1 273.50m，防浪墙顶高程为1 274.70m，防浪墙高1.2m。防浪墙采用C10混凝土浇筑，顶宽0.5m，底宽0.5m，总长为117.0m。

3.2 大坝坝体结构稳定计算

大坝上下游边坡均较缓，胶凝材料为C10细石混凝土，砌体材料为块石，单块石重不小于25 kg，最小尺寸不小于20 cm，砌体容重为2.23 t／m3，淤沙浮容重为8 kN／m3，内摩擦角为10°。河床段扬压力折减系数α1＝0.25，岸坡段扬压力折减系数α2＝0.35，抗剪断摩擦系数f′＝0.78，凝聚力C′＝0.4。由于砌体自身重量较大，结构也较紧密，故该大坝无沿砌体本身滑动的可能。沿垫层混凝土（地基）与基础接触面的滑动不考虑。因此，坝体抗滑稳定最薄弱的环节只有沿坝身与垫层混凝土（地基）接触面。进行抗滑稳定计算时，主要考虑沿浆砌石体与垫层混凝土接触面的滑动。采用刚体极限平衡法进行稳定性分析［6］，计算成果如表2和表3所示。

表2 大坝坝体结构稳定计算成果表Table 2 Dam body structure stability calculation results

表3 大坝坝体应力计算成果表Table 3 Dam body stress calculation results

表2和表3可知，大坝稳定计算安全系数均大于规范要求的1.05，坝体应力不会发生塑性破坏的，坝体是安全的。

3.3 坝体帷幕灌浆防渗处理

根据坝区渗漏的具体情况、岩性及钻孔压水试验成果，建议帷幕线左坝肩沿坝址至右坝肩布置，左坝肩长15m，右坝肩长15m。单排布孔，两坝肩终孔间距为3m，坝基段终孔间距为2m。在断层破碎带，终孔间距为1.5m。坝基帷幕深度以达到弱风化层内吕荣值不大于8 Lu为限，左、右坝肩帷幕以穿过强风化层吕荣值不大于10 Lu为下限，部分地段以岩性控制帷幕下限。另设6个检查补强孔（未计入工程量），合计进尺2 079m，基岩灌浆1 933m，无效进尺146m。造孔和灌浆分三序次进行，一序孔终孔间距为12m，二序孔终孔间距为6m，三序孔终孔间距为3m，灌浆采用自上而下，分段灌注的方法，并采用孔底循环的方式。灌浆材料基岩选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。整个灌浆工艺应符合《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL／T5148-2001）。孔口压力表控制在0.4～0.6MPa，当单位吸浆量较小时，可采用一次加压，或让其自行升压。若由于压力较大，而出现地表冒浆，孔口返浆或单位吸浆量突然增大等情况，则适当降低压力。压力达到设计值后，当注入率不大于0.4 L／min，持续60min不变，则可结束灌注。当吸浆量较大，超过规定值时，可加少量水玻璃或细沙。