旧院水库混凝土面板堆石坝优化设计研究

邓文强，吴海宽

(贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

旧院水库坝址位于六枝特区新场乡旧院村，距六枝特区公路距离36km，是一座具有灌溉和城镇供水的综合性水库。坝址以上集水面积57km2，多年平均来水量4570万m3，正常蓄水位1451m，总库容1458万m3，兴利库容1049万m3。工程主要由混凝土面板堆石坝、右岸岸边溢洪道、左岸取水建筑物、混凝土面板堆石副坝、提水泵站、灌溉管道和输水管等组成。工程等别为Ⅲ等，永久性主要建筑物级别为3级，次要永久性建筑物为4级；水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇，最大坝高为41.5m。水库建成后，可平均每年提供1153万m3农田灌溉用水，同时可向六枝中心城区提供1241万m3生活和生产用水，这将大大缓解六枝特区的新场乡、岩脚镇及六枝城区用水紧张的矛盾。

旧院水库属峡谷型水库，河谷为非对称的宽缓“U”型谷，阶地不发育，河流较直。坝区存在滑坡、松动卸荷带及崩塌堆积体等不良地质现象[1]。坝区地形不完整，右岸存在冲沟，出露岩层以软质岩为主，岩体较破碎，存在岩溶管道渗漏、软弱夹层发育、抗滑稳定性差等问题。为确保大坝整体具有较高安全可靠性和节能经济性，将结合工程特性和坝址地形地质条件，合理对混凝土面板堆石坝的枢纽布置、坝体经济结构断面和结构参数等进行优化调整，以期获得较优设计方案，为工程施工建设提供重要设计技术指导[2,3]。

2 坝址地形地质条件

旧院水库建库河段处于山盆期剥溶蚀谷地上，坝址河谷呈宽“U”型谷，主要为砂页岩组成的剥蚀地貌地形。坝区出露地层从新到老为：第四系(Q)、二迭系中统栖霞组(P2q)、下统梁山组(P1l)和石炭系上统马平群(C3mp)。坝址位于堕却背斜东翼，除右岸旧院垭口有F1平移断层通过外，其余无大的断层分布，坝址总体为单斜构造，岩层产状N46°～81°W/NE∠25°～43°，倾下游偏左岸，河谷总体近似于横向谷。坝区软弱夹层广为分布，其中二迭系下统梁山组(P1l)砂、页岩地层中最发育，其次为二迭系中统栖霞组第一段(P2q1)灰岩夹含炭质砂质页岩。坝区强弱含水层相间分布，从下游至上游，依次为强岩溶含水层(P2q2)、弱岩溶含水层(P2q1)、相对隔水层(P1l)、强岩溶含水层(C3mp)，地下水为岩溶裂隙、溶洞水，基岩裂隙水。坝区不良地质现象主要为滑坡、松动卸荷带及崩塌堆积体。

坝址处河流流向N25°E，河床高程1417m。左岸为较单薄的山脊地形，地形坡度30°～40°，右岸为较陡直的山脊地形，坡度20°～75°。左岸为P1l砂页岩组成的剥蚀地貌地形，右岸为P1l2与P2q组合的剥蚀与溶蚀地貌特征，两岸冲沟、丫口较发育，地形相对破碎。河床以及左坝肩出露地层主要为深灰色、灰黑色中厚层石英砂岩夹薄层砂质页岩，为硬岩夹软岩类，强风化厚5～8m；右坝肩1440m高程以上至山顶局部基岩裸露，为P2q灰岩夹砂质页岩、含炭质砂质页岩，地形陡峭，为硬岩夹软岩类，强风化厚3～6m。

趾板开挖至建基面后，地基持力层为P1l1-2中厚层砂岩夹页岩、P1l2-1炭质页岩、P1l2-2泥灰岩、灰岩夹页岩、P2q1灰岩夹页岩，处于强风化中下部或弱风化岩体上，总体属BⅣ类及CⅤ类岩体，岩层软硬相间，变形模量低且差异大，属不均匀地基，应作补强处理。强风化带岩体透水性较大，在长期较高水头压力作用下，加之所处岩质较软，有渗透变形的可能性，建议进行加固处理。强风化带岩体透水率大，存在浅层渗漏问题，其主要渗漏形式为坝基裂隙性渗漏及绕坝渗漏，必须进行防渗处理[4]。堆石区开挖至建基面后，属Ⅴ类岩体。

坝址区地层倾向下游略偏左岸，单斜构造，自然边坡稳定。趾板开挖后下游侧为逆向坡，边坡稳定性较好，上游侧属顺向坡，边坡稳定性较差，应作削坡或支护处理。

3 混凝土面板堆石坝首部枢纽布置

首部枢纽由主、副坝面板堆石坝、右岸开敞式溢洪道及左岸导流、放空兼取水三合一有压隧洞等组成。

3.1 混凝土面板堆石坝

主坝采用混凝土面板堆石坝结构设计，坝顶长184.03m，坝顶高程1454.50m，建基面高程1413.00m，最大坝高41.50m，坝顶净宽6.8m，坝底最大宽度106.127m。上、下游坝坡均为1∶1.3。由于主坝右岸山势较高，开挖后将形成高达40m左右的高边坡，同时主副坝交通连接较为困难，因此拟将右岸山体从上至下分台阶分别开挖至1457.00和1454.50m高程，开挖的栖霞组灰岩可部分作为主副坝坝体下游次堆石区的填筑材料。

副坝位于1季节性“V”型沟谷处，距主坝右岸60m。副坝坝顶高程1454.50m，建基面高程1417.00m，坝顶长113.19m，最大坝高37.50m，坝顶净宽6.8m，上、下游坝坡均为1∶1.3，坝体趾板宽度为4.0m。坝轴线以下右岸存在崩塌堆积，考虑将崩塌堆积体全部清除后再回填次堆石区石料。

3.2 开敞式溢洪道

右岸溢洪道为开敞式溢洪道，布置在主坝与2#副坝之间的次堆石区料场开挖台阶上，一级台阶(公路上游)高程1457.00m，二级台阶(公路下游)高程为1454.50m，由进水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎组成，总长157.43m。进水渠长37.73m，进口采用“八”字型喇叭口，前缘宽度39.74m，底面高程1446.00m。溢洪道堰顶高程为1451.00m，溢流前缘净宽为20m，设两孔，上设交通桥连接主、副坝交通，溢流堰采用WES实用堰，后接泄槽段，出口采用挑流消能。

3.3 导流、放空兼取水三合一隧洞

导流、放空兼取水隧洞布置在主坝左岸，为有压隧洞，由进口明渠、导流进口、导流洞及出口明渠组成。进口明渠长26.0m，导流洞进口由喇叭口收缩至矩形断面3.5m×4.4m(宽×高)，洞身为圆形，洞径尺寸为3.0m，导流隧洞长275.5m，洞内坡降为7‰，出口明渠段长30.0m。取水设施利用施工导流洞进口采用“龙抬头”形式改建而成，塔式进水口底板高程1428.00m，采用喇叭口型式，进口设移动式拦污栅，井筒高34.50m，顶部高程为1454.50m，闸门孔口为1.5m×1.5m，闸门后设置DN500的通气孔。

4 混凝土面板堆石主坝结构优化设计

4.1 坝顶高程

水库位于对称宽缓“U”形峡谷区，经调洪计算得坝体的校核洪水位为1454.08m(P=0.1%)，设计洪水位为1453.12m(P=2%)，正常蓄水位为1451.00m。水库风区长度(吹程)D=1.5km，正常运用条件下设计风速为22.5m/s，非常运用条件下为15.0m/s。根据SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》规定，大坝建筑物为3级，正常运行工况安全加高为0.7m，非常校核运行工况为0.4m[5- 6]。对于3级土石坝，采用累计频率P=5%的风浪爬高值。采用官厅水库公式，计算得坝顶高程成果见表1。

图1 旧院水库混凝土面板堆石主坝标准断面图

计算工况水库静水位/m坝顶超高y/m防浪墙顶高程/m校核洪水位1453.971.5911455.561设计洪水位1453.052.4831455.553正常蓄水位1451.002.4831453.483

根据表1成果，综合考虑大坝沉降问题，坝顶高程控制指标为校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高，设高1.2m防浪墙，确定防浪墙顶高程为1455.70m，坝顶高程为1454.50m。

4.2 大坝标准横剖面

旧院水库主坝坝高41.5m，为中坝。考虑施工期需满足面板滑模安装要求，运行期需满足交通人行及观测要求，拟定坝顶净宽6.8m。坝顶高程1454.50m，坝顶长度184.03m，坝顶宽6.8m，其上游侧设高1.2m的“L”型C20钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程1455.70m，顶宽0.6m，底部高程为1452.0m，底宽4.1m。上游侧设1m宽的交通、观测及检修平台。防浪墙每隔12m设一道伸缩缝，缝内设铜片止水。墙后为顶部高程1454.50m的混凝土交通路面，路面净宽6.8m，厚0.4m，下部分别为0.4m厚的碎石垫层和细石填料。路面下游侧设C20钢筋混凝土挡墙，墙高为1.0m。坝体下游面采用60cm厚的块石堆砌护坡。施工中由推土机将块石推至下游坝边缘，使大面朝坡外，以斜坡尺检查合格后用小石将大块石楔紧即可。坝体分区从上游到下游分别为垫层区(趾板下游侧增设特殊垫层区)、过渡层区、主堆石区及下游次堆石区。面板后垫层水平宽3m，在趾板下游侧设置特殊垫层区。过渡区为垫层区与主堆石区的过渡区域，水平宽3m，底宽15m，顶高至1452.00m。主堆石区为面板的主要支撑体，在坝轴线上游侧除垫层区和过渡区外均为主堆石区。为了充分利用主坝右岸1454.50m以上山体和溢洪道等建筑物开挖石料，在坝体下游部位上部设置次堆石区，该部位变形对面板影响较小，且对石料和填筑要求较低[7]。主石料场位于大寨冲沟右岸山体，距坝址不到1.0km。垫层料设计干容重为2.17g/cm3，孔隙率18.00%。过渡料选用料场人工破碎灰岩料，设计工程量为1.42万m3，设计干容重为2.143g/cm3，孔隙率19.00%。主堆石料采用料场灰岩爆破开挖料，设计工程量为11.1万m3，设计干容重为2.117g/cm3，孔隙率20%。下游次堆石区可采用主坝右岸1457.00m高程山体和溢洪道控制段以及泄槽段开挖料，拟定最大粒径为1000mm，设计工程量为7.56万m3，设计干容重为2.09g/cm3，孔隙率21%。下游护坡料采用20kg以上的块石，形状大致平整能起到稳定作用即可，岩块应坚硬耐风化。旧院水库混凝土面板堆石坝主坝标准断面，如图1所示。

根据现代面板坝的实践经验及DL/T5016- 2011、SL228- 2013《混凝土面板堆石坝设计规范》规定，上游面采用0.4m等厚混凝土面板，坡比1∶1.3。面板采用单层双向钢筋布置，即在面板截面中部设一层双向筋，每向含筋率为0.4%，配φ20间距20cm的钢筋网。

为适应坝体变形，对面板进行分缝[8]。根据澳大利亚利斯坝、墨西哥阿瓜密尔巴坝以及我国天荒坪坝的设计理念，混凝土面板采用等宽面板，河床受压区和两岸受拉区均每隔12m分一条缝，即左岸(受拉区)分为5块，河床(受压区)分为6块，右岸(受拉区)分为4块。

4.3 坝体变形计算

根据DL/T5016- 2011、SL228- 2013《混凝土面板堆石坝设计规范》规定[9,10]：“100m以上高坝或地形地质条件复杂的坝，坝体应力和变形宜用有限元计算。其他的坝，可用经验方法估算坝体变形”。旧院水库主坝最大坝高为41.5，用经验方法估算其变形。采用《混凝土面板坝工程》(蒋国澄等主编，湖北科学技术出版社)推荐经验公式进行估算，即根据已建坝的原型观测成果来估算坝顶的沉降值，计算公式为：

(1)

式中，S2—待建坝的预计沉降值；S1—已建坝原型观测的坝顶沉降值；E2—待建坝的变形模量；E1—已建坝的变形模量；H2—待建坝的坝高；H1—已建坝的坝高。

选已建的塞沙那坝作为参考大坝，经计算得旧院水库结果坝顶沉降量成果，见表2。

表2 坝顶沉降量估算表

表2可知，施工期和蓄水期坝体总沉降量为0.20m，蓄水期坝体沉降量为0.049m，为总沉降量的24.5%，说明坝体垂直变形主要发生在施工期。

4.4 坝基处理

在趾板与基岩连接部位，为了提高趾板基础的整体性，提高抗冲蚀能力，需进行固结灌浆。固结灌浆孔共2排，孔距3m，排距3m，矩形布置，孔深5m。

5 结语

旧院水库是六枝特区岩脚镇、新场乡及六枝城区重要的灌溉和供水工程，属峡谷型水库。坝址区地形地质条件复杂，受构造影响地表溶蚀沟槽、洼地和溶洞发育。为确保水库大坝具有较高安全可靠性和节能经济性，结合项目地形地貌、水文地质、筑坝材料和施工等条件，通过对枢纽建筑物布置进行多次优化调整，合理布设与工程特性相匹配的混凝土面板堆石坝。

(1)坝址区水文地质条件复杂，主坝存在浅层裂隙风化型渗漏，库首左岸垭口存在浅层强风化带渗漏等问题，通过深挖回填、固结灌浆、帷幕灌浆等处理措施，可改善成库条件。

(2)结合库区地形地质条件，综合筑坝材料、施工条件和投资经济效益等，优选主副坝、右岸溢洪道及左岸导流、放空兼取水三合一有压隧洞等组成的混凝土面板堆石坝方案。

(3)根据规范要求，结合各种荷载组合，最终确定坝顶高程1454.50m，防浪墙顶高程1455.70m。施工期和蓄水期坝体总沉降量为0.20m，坝体垂直变形主要发生在施工期为0.151m，需要加强施工期的质量监控和变形监测。

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