瓮岩坝水库混凝土面板堆石坝设计

2018-04-18刘文达

小水电 2018年2期

刘文达

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州■贵阳■550002)

1　工程概况

瓮岩坝水库位于贵州省铜仁市万山区大坪乡西北部的瓮岩村境内，水库坝址距大坪乡政府所在地12 km，距铜仁市城区60 km，是1座具有农村及集镇供水和农业灌溉的综合性水库。坝址以上流域集水面积7.88 km2，坝址处多年平均年径流量为532×104m3，多年平均流量为0.169 m3/s。水库大坝为混凝土面板堆石坝，正常蓄水位663.00 m，最大坝高45.7 mm，总库容287×104m3，兴利库容238×104m3。水库规模为小(1)型，水库枢纽工程等别为Ⅳ等。工程建成后每年可提供灌溉用水量273×104m3，乡镇及人畜饮水72.8×104m3，向下游下放生态环境水53.2×104m3，这将有效缓解铜仁市万山区大坪乡的用水紧张矛盾。

瓮岩坝水库属峡谷型水库，河谷宽103 m，呈基本对称“V”字型，左、右岸均较陡，河谷形态完整性较好。坝址区整体未见滑坡、泥石流、崩塌堆积体、卸荷裂隙等不良地质现象，但坝基以软质岩为主，岩体较破碎，裂隙相对发育，存在较严重的坝基渗漏、绕坝渗漏、边坡局部浅层滑塌等问题。为确保大坝建筑物整体设计方案与工程特性具有较好匹配性能，将结合坝址区基本地质条件，合理对混凝土面板堆石坝枢纽布置、坝体结构断面和特征参数等进行优化调整，以期获得技术可靠、经济优化的设计方案，指导工程高效优质施工建设[1]。

2　坝址地形地质条件

瓮岩坝水库建库河流处于基本对称“V”型谷地形，为补给型河流。左、右岸均较陡，河床高程为629.8 m，两岸山顶高程809～859 m，切割深度约200～230 m。正常蓄水位663.00 m，对应河谷宽103 m，左岸河谷斜坡地形较厚实，河谷谷坡面较平整，坡角在42°左右；两岸河谷基本对称，呈“V”型，河谷形态完整性较好。坝址区为单斜地层构造，岩层产状50°～70°，倾角5°～12°，岩层倾向下游偏左岸。河床覆盖较深(0.5～6.1 m)，坝基岩性为杷榔组(∈1p)，为浅灰色、灰绿色粉砂质粘土岩，强风化厚度3～14 m；强风化上部岩体较破碎，平均波速2 009 m/s，可作为面板坝坝基持力层，主要为CⅤ类岩体。

两坝肩受力岩体强度较低，主要为较软岩，岩性为寒武系杷榔组(∈1p)，为浅灰色、灰绿色粉砂质粘土岩，强风化带岩体节理裂隙发育，岩体完整性较差。右岸为顺、斜向坡，强风化节理裂隙较发育，抗滑稳定性较差，开挖边坡高度为40 m，为中高边坡。左岸为逆、斜向坡，地形完整性较好，强风化节理裂隙较发育，抗滑稳定性较差，中下部岩体抗滑稳定性稍好。两岸坡顶高程为809～859 m，坝址高程为629.8 m，坡高达到200～230 m。由于坡高达到200～230 m，边坡开挖后，需采取合理支护措施及时支护[2]。

河心孔zk5揭露，河床0～3.0 m为砂卵砾石夹沙土，3.0～6.1 m为混凝土，孔深6.1 m处见基岩；岩性为把榔组(∈1p)，为浅灰色、灰绿色粉砂质粘土岩，饱和抗压强度平均值为12.41 MPa，岩质较软，岩体允许承载力可达0.8～1.2 MPa，能满足建坝要求。岩体风化较浅，强风化厚度2～4 m，弱风化岩体平均波速2 129 m/s，岩体较完整。

由于坝基岩性为较软岩，强风化裂隙发育，结构面较发育，水头压力较大，地下水易沿层面及结构面产生渗透破坏。坝基渗漏主要沿基础岩体强风化带裂隙绕坝渗漏，不仅影响水库蓄水，而且影响大坝渗漏变形稳定；可以通过帷幕灌浆解决，坝基蓄水地质条件好。防渗帷幕端点接地下水位，下限进入弱风化岩体，根据钻孔水位观测、吕荣值以5 Lu控制、岩体完整程度等[3]，同时满足1倍坝高的要求，则有效防渗面积9 395.27 m2。

3　混凝土面板堆石坝首部枢纽布置

首部枢纽建筑物布置由混凝土面板堆石坝、右岸岸边正槽式溢洪道、左岸取水兼放空系统(导流洞改造)等组成。

3.1　混凝土面板堆石坝

混凝土面板堆石坝坝轴线呈直线布置，坝轴线方位角为N14°45′7″E，最大坝高45.7 m，坝顶高程665.70 m，防浪墙顶高程666.90 m，坝顶宽度5.0 m，坝轴线长112.38 m，趾板建基面坐落于弱风化岩体上部，河床段趾板建基面高程620.00 m。大坝上游坝坡为1∶1.4，下游坝坡为1∶1.4。坝体分区从上游到下游依次为上游石渣盖重区1B、上游粉煤灰铺盖区1A、混凝土面板F、垫层区2A、过渡区3A、堆石区3B、下游块石护坡P等几个区。混凝土面板采用C25W8F100混凝土，厚度400 mm。为适应坝体变形，面板设横缝，两岸受拉垂直张性缝间距8.00 m，中间受压垂直压性缝间距13 m。趾板采用平趾板型式，厚度0.5 m，趾板宽度统一取为4.5 m，趾板与基岩间用φ25(Ⅲ级)L=4.5 m@3×1.5 m锚筋锚固。对基础进行固结灌浆处理，基础固结灌浆布置为3排，孔深均为5 m，排距1.5 m，孔距3.0 m。

3.2　正槽式溢洪道

溢洪道布置在大坝右岸，为岸边正槽式溢洪道，整个溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段和消能段组成。引渠段底板高程661.00 m，净宽15 m。桩号溢0+000.00～溢0+005.00为控制段，控制段分为2孔，净宽14 m，溢流堰采用WES实用堰，堰面曲线为：Y=0.255X1.85，堰顶高程663.00 m，堰顶上设交通桥，桥宽5.0 m，与坝顶相接。泄槽段紧接控制段之后，分为一级陡坡、抛物线段和二级陡坡；一级陡坡坡降为i=0.067，断面为矩形，边墙净高由4.71 m降至2.0 m，为直立式挡墙，墙厚0.5 m；底板厚度0.5 m；一级陡坡末端高程为658.83 m。一级陡坡后接抛物线段，抛物线段曲线方程为：Y=0.067X+0.029X2，边墙高度2.0 m，为直立式挡墙，墙厚0.5 m，底板厚度0.5 m，抛物线段末端高程为654.56 m。抛物线段后接二级陡坡，二级陡坡坡降为i=0.696，断面为矩形，边墙净高2.0 m，为直立式挡墙，墙厚0.5 m，底板厚度0.5 m，边墙及底板均采用C25钢筋混凝土衬砌。在泄槽段设置收缩段，底净宽由14 m收缩至10 m，收缩角5°。溢洪道出口消能工采用挑流消能方式，泄槽末端接半径R=10 m的反弧段相接，挑流鼻坎高程633.94 m，挑射角25°。下游设水平护坦与河道衔接，长10 m，厚0.5 m，挑流鼻坎段边墙厚度0.5 m，边墙顶部高程637.94 m。

3.3　取水兼放空隧洞

取水兼放空隧洞由导流洞改造而成，布置于河床左岸，由引水段、塔式取水口、隧洞段及隧洞出口段组成。桩号0+000.00～0+007.00段为塔式取水口段，总长7.0 m，进口底板高程为633.50 m。在进口设置1个拦污栅，孔口尺寸为1.8 m×1.4 m(宽×高)；拦污栅后设1个扇平板事故闸门，孔口尺寸1.0 m×1.0 m(宽×高)，事故闸门后设通气孔，孔口尺寸为1.0 m×1.0 m(宽×高)。闸门井后设渐变段，由1.0 m×1.0 m的方孔渐变为直径1.0 m圆孔；桩号0+007.00～0+046.87段为取水隧洞段，洞身采用城门洞型，洞身尺寸为1.8 m×2.2 m(宽×高)，全长39.87 m，坡比i=8.389%；桩号0+007.00～0+357.18段为导流洞隧洞段，洞身采用城门洞型，洞身尺寸为2×3.293(宽×高)，全长317.31 m，坡比i=1.242%。在隧道内埋设φ1 000取水兼放空钢管。φ1 000取水兼放空钢管在隧洞出口接入闸阀室，在闸阀室分出1根φ1 000钢岔管作为取水管，1根φ1 000钢岔管作为放空管，接入下游河道内，1根φ150钢岔管作为生态放水管，接入下游河道内。

4　混凝土面板堆石结构参数设计计算

4.1　坝顶高程

按照《防洪标准》(GB 50201—2014)，瓮岩坝水库为Ⅳ等小(1)型水库，大坝工程等级为4级，坝顶高程按30年一遇设计洪水和300年一遇校核洪水计算确定。根据水库调洪计算成果，水库校核洪水位(P=0.33%)为665.680 m，设计洪水位(P=3.33%)为664.97 m，正常蓄水位为663.00 m。

《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)规定[4]，大坝建筑物为4级，设计工况下，A=0.5 m；校核工况下，A=0.3 m。经计算得坝顶高程成果如下所示(见表1)。

结合表1计算成果及《碾压式土石坝设计规范》规定，在正常应用条件下，坝顶应高出静水位0.5 m，在非正常应用条件下，坝顶应不低于静水位[5]。故坝顶高程确定为665.70 m，坝顶设防浪墙，高出坝顶1.2 m，墙顶高程为666.90 m。

表1　坝顶高程计算成果

4.2　大坝标准横剖面

坝址区无重要公路通过，结合坝顶运行和坝顶设施布置，拟定坝顶净宽5.0 m。坝顶上游设“T”型钢筋混凝土防浪墙[6]，墙高2.69 m，墙顶高出坝顶1.2 m，墙顶厚度0.4 m，墙顶高程666.90 m。上游设0.8 m的检修平台，以利检查通行，检修平台高程665.00 m，检修平台比正常蓄水位高2.0 m。下游设“L”挡墙，挡墙高1.5 m，墙厚0.3 m，坝顶路面为200 mm厚度混凝+300 mm碎石垫层铺筑，坝顶总宽度为5.7 m。上下游坝坡均采用1∶1.4。坝体材料从上游至下游依次分为：上游防渗补强区(盖重区、上游铺盖区)、垫层区、过渡区、堆石区(见图1)。

图1瓮岩坝水库混凝土面板堆石主坝标准断面

面板张性垂直缝位于两坝肩附近，间距8 m；面板压性垂直位于缝河床部分，间距13 m。面板分块总数11块，在面板截面中部设置单层双向钢筋，纵、横向钢筋配筋率均为0.35%；在面板拉应力区或岸边周边缝及附近可适当配置增强钢筋。趾板混凝土为C25W8F100，表面设1层双向钢筋，其纵、横向钢筋均按0.35% 配筋设置，每方混凝土含筋率按50 kg计算。

4.3　坝基处理

趾板河床坝段基础置于弱风化岩层顶部，坝体填筑区基础清除覆盖层。左右岸坡岩石按1∶0.5坡比开挖，土质按1∶1.5坡比开挖，采用挂网、喷锚支护。趾板地基采用固结灌浆和喷锚支护[7]，其中固结灌浆孔共布置3排，排距1.5 m，孔距3 m，孔深5 m，总进尺1 605 m。在趾板基础布置锚杆，共布置3排，为φ25(Ⅲ级)锚杆，L=4.5 m，间、排距均为1.5 m。

帷幕灌浆沿趾板线布置[8]，左、右岸帷幕防渗均接地下水位，根据地下水位线与正常蓄水位线交点按15 m深度控制确定边界。根据岩体风化、透水性与地下水位进行综合考虑，确定帷幕灌浆防渗底界；帷幕底界以1倍水头控制，进入地下相对稳定水位10～15 m，底界伸入透水率为3～5 Lu的岩层5～10 m。帷幕灌浆为单排，坝址区孔距为2 m，左右两岸孔距为3 m；帷幕线总长276 m，帷幕总进尺3 183 m，其中有效进尺2 777 m，无效进尺406 m。