纳革水库混凝土面板堆石坝优化设计研究

黄 丽，王建峰

(1.贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550002；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

纳革水库混凝土面板堆石坝优化设计研究

黄 丽，王建峰

(1.贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550002；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

纳革水库坝址区地形地貌、地质条件较复杂，土质边坡稳定性较差，存在崩塌和坝基(肩)渗漏等问题，经现场踏勘并综合考虑建坝河段、坝址区软弱夹层发育、工程占地、施工工艺及投资经济效益等因素，优选C25W8钢筋混凝土面板堆石坝方案.经枢纽布置及细部结构的多次优化调整，结合深挖回填、固结灌浆、帷幕防渗和库首边坡支护等工程措施后，坝址区不良地质条件得到有效处理.

纳革水库;土质边坡；混凝土面板堆石坝；固结灌浆

纳革水库位于六枝特区陇脚布依族乡大坝村花德河纳革支流上，距乡政府8.2 km，是以灌溉、供水为主，兼有农村人畜饮水等功能的一项综合性水利工程.纳革水库为西南五省(自治区、直辖市)重点水源工程近期建设规划的小(1)型水库.水库校核洪水位1 291.70 m，总库容373×104m3，正常蓄水位1 288.0 m，相应库容301×104m3，最大坝高56.0 m，向纳革灌区、陇脚乡镇毛供水量517×104m3/a，并下放环境用水111.9×104m3/a.工程等别Ⅳ等，工程规模小(1)型，其永久性主要建筑物为4级，坝型为混凝土面板堆石坝.针对水库存在的土质边坡失稳、坝基(肩)软弱夹层发育、地基沉降及渗透变形等问题，将根据坝址地形地质条件，结合选择的混凝土面板堆石坝坝型，对大坝枢纽布置、坝体结构和结构参数等进行详细计算分析，优选技术、经济均较合理的设计方案.

1 坝址地形地质条件

纳革水库处于云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，工程区地貌类型属侵蚀、剥蚀的中低山，山势较雄厚，但受岩性及构造的影响，沟谷纵横，冲沟发育，起伏差较大，高程1 100～1 650 m，起伏差达550 m，工程处于郎岱向斜核部，区内总体地势西南、东北高，中间低.建库河段呈蛇曲展布，由郭家寨左支流、木场箐右支流组成，地形上缓下陡，边坡上部地形坡度20°～25°，中下部地形坡度50°～60°.自然状态下，土质边坡整体处于基本稳定状态.但在公路开挖的内侧和坡度大于40°的局部地段，土质边坡表层有失稳现象，应引起重视.水库蓄水后，土体力学性能降低，土质边坡产生滑动的可能性大[1].纳革水库坝址地形地貌(见图1).

图1 纳革水库坝址地形图

库区第四系覆盖层广布，基岩仅在河流、沟谷及陡崖处出露，组成库岸边坡主要为土质边坡.水库基岩地层为侏罗系郎岱群石英砂岩、砂质泥岩，岩质软硬相间.出露岩层产状：65°∠20°.左支流右岸岩层呈切向产出；右支流左岸边坡为顺向坡，两者均未见大规模切剖面及临空面、地表拉裂缝的存在.边坡覆盖层厚度4～9 m，强风化厚度8～12 m，埋深10.2～27 m，主要位于弱风化基岩顶部.

基岩边坡自然状态下总体处于稳定状态，受岩性影响，岩体风化深度大，水库区物理地质现象主要为浅层的、小范围的覆盖层滑坡，如坝址河段公路边HP1—HP6.据此推测水库蓄水后，库岸稳定主要表现为土质边坡坍岸稳定，位置主要集中在左、右两支流夹持部位，库首一带斜坡.水库蓄水后，水库存在诱发较大规模滑坡的可能性，库首岸坡需进行支护处理，边坡经支护处理后，水库具备成库条件[2-3].坝址河谷呈不对称“V”型，左岸地形坡度约25°，右岸较陡，坡度约30°～45°，持力层岩性为中厚—厚层石英砂岩夹砂质泥岩，岩质软硬相间，弱风化岩体质量为AⅢ夹CⅣ类.主要工程地质问题：(1)趾板：泥岩与砂岩呈互层状分布，弱风化带岩体为AⅢ夹CⅣ类，多层次软硬相间层状砌体结构.因泥岩岩质软弱，塑性变形大，砂岩裂隙较发育，将造成趾板地基不均匀沉降和渗透变形问题，需对趾板地基进行加固和不均匀变形处理[4-5].在基坑开挖中，应留泥岩保护层和防治基坑承压涌水问题.(2)右岸：强风化带岩体为碎裂散体结构，为AⅣ夹CⅤ类，塑性变形大，渗透稳定性差.由于右岸地形单薄，右肩1 280 m高程趾板将座落在强风化J2ln1—3基岩上.趾板地基不均匀沉降和渗透变形问题较左岸和河床段突出，除了对趾板地基进行固结、防渗和不均匀变形处理外，还需对单薄山脊地形进行加固和防渗处理.(3)左岸：泥岩夹层发育，塑性变形大，砂岩裂隙发育，左岸趾板主要工程地质问题是地基不均匀沉降和渗透变形问题，必须对趾板地基进行固结、防渗和不均匀变形处理.

2 混凝土面板堆石坝首部枢纽布置

首部枢纽由C25W8混凝土面板堆石挡水坝+右岸岸边溢洪道+右岸取水兼放空隧洞+农田灌溉管道+村镇供水管及泵站等组成.

2.1 混凝土面板堆石坝

坝型采用混凝土面板堆石坝，计算确定坝顶高程为1 292.0 m，最大坝高56.0 m，坝顶宽9.0 m，长178.5 m.防浪墙顶高程1 293.2 m，河床趾板建基面高程1 234.0 m，上游坝坡为1 ∶1.5，下游坡度1 ∶1.45.

2.2 右岸岸边溢洪道

溢洪道布置于右岸，堰顶高程1 288.0 m，堰顶净宽20.0 m，不设闸门.堰面曲线方程为：y=0.189x1.85，堰面曲线与1 ∶1的斜线相切，后接反弧段，反弧半径为5 m，中心角为35.037°，后接泄槽段.出口为消力池段，消力池总长38.0 m，宽度为15.0 m，边墙高度为8.0 m，下接下游河道.

2.3 取水兼放空隧洞

岸边式取水塔布置于坝址上游右岸支流约55 m处，由进口明渠段、拦污栅、喇叭口、渐变段、下弯段组成.进口明渠底板高程1 243.5 m，长12 m，喇叭口前设移动式拦污栅，孔口断面为6.67 m×8.33 m，后设1.0 m×1.0 m检修闸门一扇，闸门底板高程为1 252.5 m.取水通过有压导流洞作为输水隧洞，隧洞洞径2.0 m，长170 m.出口接φ1 016×8 mm钢管至蝶阀室，通过用阀门控制，后接灌溉、供水管道.

3 挡水坝结构特性参数计算

3.1 坝顶安全超高及坝顶高程计算

表1 坝顶安全超高及坝顶高程计算成果

结合表1计算成果，坝顶高程的控制指标为校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高，考虑沉降超高后，坝顶设高1.5 m的防浪墙，墙顶高程取为1 293.50 m，坝顶高程为1 292.0 m.

3.2 大坝标准横剖面

纳革水库为中坝，坝顶高程1 292.00 m，坝顶宽9 m，其上游设高4.7 m的“L”型C20钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程1 293.20 m，顶宽0.6 m，底部高程1 288.50 m，宽4.1 m.上游侧设1 m宽交通、观测及检修平台，防浪墙厚0.6 m，分缝间距12 m，缝间设铜片止水.坝顶为混凝土交通路面，路面净宽6.8 m，厚0.2 m，混凝土路面基础为0.4 m厚碎石垫层.路面下游侧为C20钢筋混凝土挡墙.坝体分区从上游到下游分别为盖重区、上游铺盖区、垫层区(趾板下游侧增设特殊垫层区)、过渡层区、主堆石区(含主堆石排水区)及下游次堆石区[8].主堆石料来源于陇脚乡政府驻地花徳河北面长岭岗，距坝址距离约12 km,上游坝坡设计为1 ∶1.5，下游坝坡为1 ∶1.45.上游坝面1 262.00 m以下设置土料铺盖区，上游坡1 ∶1.75，顶宽2.5 m.垫层区宽度主要受所承受水力梯度、材料特性及河谷地形，施工工艺等方面的影响，面板后垫层水平宽3 m，在趾板下游侧设置特殊垫层区.过渡区水平宽3 m，顶高至1 288.5 m.纳革水库挡水大坝标准横剖面(见图2).

河床部位的趾板坐落在J2ln1—2石英砂岩中部，建基面高程为1 234.00 m.趾板后基础水平开挖15 m，以适应垫层料向下游延伸的需要.趾板后基础采用挂网喷0.15 m厚C15混凝土，锚杆采用φ28@1.5 m×1.5 m，L=6 m.为了适应坝体变形，对面板采取分垂直缝处理.两坝肩附近左右岸面板分别设6条和3条张性垂直缝，河床段面板共设4条压性垂直缝，间距均为12.00 m.在趾板与面板间设周边缝，周边缝缝宽12 mm，缝内设12 mm厚沥青浸渍杉木板，底部止水采用“F”型紫铜止水片[9].

3.3 坝基处理

(1)基础开挖

基础开挖将形成5～10 m的边坡，为覆盖层和岩质边坡，左岸坝肩开挖边坡基本为顺向坡，且岩层倾角小于开挖边坡角，对边坡稳定不利，应采取削坡或支护措施，对顺向坡部位进行及时挂网喷锚支护处理.右岸坝肩开挖边坡属逆向坡，边坡削坡后较稳定.边坡开挖建议坡比：覆盖层1 ∶1.25； 强风化基岩：1 ∶1～1 ∶0.75.土质边坡结构松散，稳定性较差，雨季时会出现垮塌现象，开挖时应注意削坡或支护处理措施.覆盖层及强风化基岩层，岩体透水性较大，应采取排水措施，土质边坡覆盖层开挖边坡1 ∶1.5.

(2)开挖边坡处理

坝基(坝肩)开挖边坡采用挂网喷锚支护.开挖边坡设置水泥砂浆锚杆，采用φ25L=3.0 m，3.0×3.0 m梅花形布置；设φ50 L=4.0 m排水孔，孔向边坡倾斜8°，5.0 m×5.0 m梅花形布置；挂网采用φ8钢筋网，间排距20 m×20 cm；喷C20混凝土对边坡进行封闭.

(3)固结灌浆

在趾板与基岩连接部位，为了提高趾板基础的整体稳定性，需要进行固结灌浆.固结灌浆孔共两排，孔距3 m，排距3 m，孔深5 m，固结灌浆总进尺900 m左右.

(4)帷幕灌浆

大坝河床段帷幕线沿趾板布置，左岸向山体延伸120 m左右，右岸经溢流堰后横穿右岸垭口向山体延伸30 m左右，河床部位帷幕深度按1倍水头考虑，总体帷幕下限高程可控制在1 200.00 m左右.帷幕线总长600 m，总进尺14 201 m，有效进尺为9 445 m.采用单排孔方案，孔距为3 m.

4 结 论

纳革水库坝址河谷呈不对称“V”型，建库河段呈蛇曲展布，坝址区地形地质条件复杂，受不良地质发育、岩性及岩体风化深度大等因素的影响，水库蓄水后土质边坡表层失稳问题严重，存在诱发较大规模滑坡的可能性.为确保水库挡水坝具有较高安全稳定性，提高工程建设投资经济效益，在枢纽整体布置和结构计算中进行了详细论证分析，优选合理的设计方案以降低施工难度和减少建设占地.

(1)公路开挖和水库蓄水后，土质边坡土体力学性能将降低，尤其在水位消落和水头压力增大等工况下，土质边坡产生滑动的可能性大，必须对库首边坡进行支护处理.坝基(肩)软弱夹层发育，对坝基(肩)抗滑稳定影响大，加之右岸山体单薄，导致抗力岩体单薄，对坝肩抗滑稳定不利.

(2)结合坝址区地形地貌和水文地质条件，两河汇合口以下300 m的河谷地段作为建坝河段具有唯一性.优选混凝土面板堆石坝拦河坝工程+右岸岸边溢洪道+右岸取水兼放空隧洞等组成的C25W8混凝土面板堆石坝方案.

(3)结合调洪计算，最终确定坝顶高程1 292.0 m，防浪墙顶高程1 293.50 m.坝体总共分为6个分区，采取深挖回填、固结灌浆、帷幕防渗和库首边坡支护等工程处理措施后，坝址区具备成库条件.

[1] 成克雄.八岔林水库混凝土面板堆石坝设计[J].小水电,2014,177(3):34-37.

[2] 李 剑.石堡子水库工程混凝土面板堆石坝设计[J].甘肃水利水电技术,2010,46(7):35-36.

[3] 陆秉山,彭章超.云南黑龙水电站坝型选择初探[J].水科学与工程技术,2013(2):58-61.

[4] 陈 炜.白眉水库面板堆石坝应力变形分析[J].吉林水利,2012(9):33-36.

[5] 何米杏.五里坝水库工程混凝土面板堆石坝设计[J].浙江水利水电学院学报,2014,26(4):36-39.

[6] 龚常青.新屯水库混凝土面板堆石坝方案[J].水利科技与经济,2014(10):144-146.

[7] 冉毅碧.大沙坝水库混凝土面板堆石坝优化设计[J].水利规划与设计,2015(4):90-92.

[8] 李龙波.杨柳水库混凝土面板堆石坝设计[J].四川水利,2016,37(4):52-54.

[9] 杨平荣,谭剑波.水库混凝土面板堆石坝优化设计研究[J].浙江水利水电学院学报,2014，26(4):28-30.

OptimalDesignofConcreteFaceRockfillDamofNageReservoir

HUANG Li1, WANG Jian-feng2

(1.Guizhou Hydraulic Research Institute, Guiyang 550002, China; 2.College of Water Conservancy and ArchitecturalEngineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

The complex conditions of topography and geology, adverse geological development, poor lithology, rock mass weathering and other influencing factors lead to side slope collapse and dam foundation damage and other problems in Nage Reservoir. The design scheme of C25W8 reinforced concrete face rockfill dam was optimally chosen by considering the dam building area, the soft layer development in dam area, the project land covering, the construction technology, the investment economic benefit and other factors. After the design calculation and multiple optimal adjustment, combining with the engineering treatment measures such as deep excavation backfill, consolidation grouting, curtain anti-seepage and reservoir slope protection, the geological conditions of the site are effectively dealt with to fulfill the reservoir construction, which has been examined and approved at present.

Nage Reservoir; soil slope; concrete face rockfill dam; consolidation grouting

2016-08-24

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(20156905)

黄 丽(1984-)，女，贵州贵阳人，硕士，工程师，主要从事水利水电工程设计工作.

TV431

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1008-536X(2016)12-0025-04