鲁家坝水库大坝加高扩建方案比选及结构计算

郑 源

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002)

1 工程概况

鲁家坝水库位于洛安江右岸支流鲁家坝沟上游，地处汇川区团泽镇蒲台村境内，坝址距团泽集镇4km，距遵义市中心城区32km。水库位于鲁家坝沟上游，坝址以上流域面积9.1km2，占全流域面积21.2%，河长5.97km，河道平均比降33.2‰，流域形状系数0.255，坝址以上多年平均径流量474万m3。水库现状工程任务为供水为主，供水范围为鲁家坝灌区及团泽集镇与周边农村。

根据供水范围需水量预测，至2030年团泽集镇及周边农村和农田灌溉共计需水量为290万m3/a，而水库现状库容系数11.8%，现状供水量168万m3/a，缺水量122万m3/a，缺水率达到42.1%，缺水问题非常严重，且水库汛期经常溢流，水资源利用不充分。结合现场踏勘及测绘、地质和地勘成果，经水资源供需平衡分析、大坝应力及稳定性分析等论证分析，综合考虑充分利用现有枢纽建筑物，认为对鲁家坝水库加高具有坝址唯一性、技术可行性和工程投资经济性。水库加高后大坝为粘土心墙坝，最大坝高32.5m，正常蓄水位898.00m，相应库容226万m3，水库总库容281万m3为小(1)型水库，工程等别为Ⅳ等。

2 大坝加高方案比选

2.1 坝址选择

鲁家坝水库运行多年，坝前淤积深度较深，若在库区内新建挡水枢纽，基础处理复杂且不能利用现有枢纽，工程投资大，所以不宜在上游另选坝址。大坝下游至鲁家沟汇河口约300m，两岸地形条件差，该段无可选坝址，故不宜在下游另选坝址。因此鲁家坝水库加高工程依然在原坝址进行，坝址具有唯一性。

结合测绘、地质、勘探等成果，经地形地貌、地质条件和供水能力等分析[1]，水库库区成库条件较好，加高后主要存在沿库区中前段右岸槽谷表层溶蚀发育带向邻谷渗漏和库首浅表部以及绕坝肩溶隙型渗漏问题。另外，现有大坝为粘土心墙坝，存在防渗效果较差及局部坝基渗漏量大等问题，水头抬高后存在渗漏可能，但采取一定的防渗工程措施处理后具备加高条件。因此，利用现有坝址加高大坝扩建方案具有坝址唯一性和技术可行性。

2.2 枢纽建筑物比选

2.2.1 坝型比选

鉴于现有坝体为粘土心墙坝，故可选坝体加高仅限于柔性坝加高。因混凝土防渗面板和趾板对基础要求较高，在土坝加高工程应用该坝型有较大安全隐患，另其沉降周期较长，不利于水库尽早发挥效益，故不选择混凝土面板堆石坝而选择土坝加高[2]。

土坝加高又因坝体防渗体材料不同，大致分为粘土、沥青混凝土、混凝土等，也可在上游面采用土工膜进行防渗。其中沥青混凝土防渗体因总体方量较小、施工工艺相对复杂、质量受气候影响较大、施工进度难于控制等因素影响，工程现状匹配性较差；混凝土防渗体造价高、温度控制要求高、刚性特点对基础变形适应能力差等因素，也不选择。结合坝体质量评价，大坝局部坝段存在渗漏及填土指标变化较大、均一性较差等问题，加高后水位上升会导致渗漏量变大，存在安全隐患且处理难度大，故不宜利用大坝现有心墙作为大坝防渗体的一部分。同时，坝基肩现有防渗体系也不能满足水库加高要求，需重新设置坝体及坝基肩防渗体系[3]。土工膜防渗体会因基础沉降及坝体不均匀沉降带来土工膜撕裂而出现失效和坝基肩不能形成封闭防渗体等问题，同时土工膜需待坝体沉降基本完成后铺设，工期较长且使用寿命难达到工程安全使用年限等缺点，虽其投资较省，但安全隐患较大，易出现安全事故，故不推荐使用。根据勘察优选的5个天然建筑材料场和大坝现状筑坝材料及结构，设计优选黏土料填筑量较小的粘土心墙坝和粘土斜墙坝两种坝型进行方案比选，坝壳采用白云岩料填筑。

2.2.2 枢纽建筑物比选

2.2.2.1 粘土心墙坝方案

此方案枢纽建筑物由粘土心墙坝、右岸溢洪道及右岸取放水建筑物等组成。粘土心墙坝大坝剖面，如图1所示。

2.2.2.2 粘土斜墙坝方案

此方案由粘土斜墙坝、右岸溢洪道及右岸取放水建筑物等组成。除大坝防渗体为粘土斜墙与粘土心墙不一样外，溢洪道布置、取水兼放空隧洞布置完全一致。粘土斜墙坝大坝剖面，如图2所示。

结合水库大坝结构现状及施工工艺等因素进行分析，论证结果表明：

(1)粘土斜墙施工工艺较复杂，且若斜墙防渗失效，后续补救措施复杂，不易处理；且该方案需对原坝体进行削坡处理，对原坝体干扰较大，施工程序复杂[4]。

(2)粘土心墙施工工艺简单，施工经验丰富。若防渗失效，后续补救措施相对简单，容易处理。且因心墙基础置于原人饮管道高程以下，在开挖过程中能将该管道渗流通道进行隔断，防渗体后移+帷幕灌浆形成的帷幕体系将安全可靠的保证大坝安全。

图1 粘土心墙坝大坝剖面图

图2 粘土斜墙坝大坝剖面图

运用条件计算水位/m波高h5%/m波长L/mP=5%爬高R5%/m坝顶超高/m计算坝顶高程/m正常运用条件1898.000.5356.3250.9091.41899.41正常运用条件2900.180.5356.3250.9051.41901.59非常运用条件900.920.3224.2140.5720.87901.79

(3)粘土心墙坝较粘土斜墙坝投资省131.25万元，具备安全可靠、投资较省、防渗补救措施简单等优点，故加高设计优选粘土心墙坝坝型。

3 粘土心墙坝结构布置

3.1 大坝枢纽布置

大坝枢纽建筑物由粘土心墙坝、右岸溢洪道及右岸取放水建筑物等组成。大坝为混凝土预制块护坡粘土心墙坝，溢洪道为岸边开敞式侧槽溢洪道，布置于大坝右岸。取放水建筑物利用导流建筑物改造而成，于大坝右岸。对原坝体采取充填灌浆处理、对坝基肩采取防渗帷幕处理，拆除原坝身放水涵洞进出口设施并回填水泥砂浆。

3.2 大坝结构设计

大坝现状上游坝面砼预制块护坡质量良好，设计考虑利用。大坝加高段上游面设计坝坡为1∶2.2，下游面设计坝坡为1∶2。加高后大坝为粘土心墙坝，最大坝高32.5m，坝顶长145m、宽5.0m。坝顶高程901.50m。心墙顶厚3.0m，自上而下逐渐加厚至6.5m，心墙上下游坡比均为1∶0.2。心墙河床段底部高程875.50m，顶部高程901.19m。在坝壳料与心墙之间设砂石料过渡反滤层，其依次由厚0.5m细砂层和厚0.5m碎石层构成。坝顶上游侧设带防浪栏板的青石栏杆兼做防浪墙，防浪栏板顶顶高程902.60m，下游侧设青石栏杆。

溢洪道位于大坝右岸，紧靠坝体一侧布置，为岸边开敞式侧槽溢洪道，包括引水渠段、侧槽段、调整段、泄槽段、消力池段、出水渠段，出水渠段顺接下游河道，总长176.1m。

取放水建筑物利用右岸导流建筑物改造而成，由闸井段、取水兼放空隧洞(洞内穿管)及出口闸室段组成。隧洞总长171.0m。

4 粘土心墙坝结构设计计算

4.1 坝顶高程确定

根据调洪计算成果，鲁家坝水库校核洪水位900.92m，设计洪水位900.18m，正常蓄水位898.00m，经量算水库计算吹程D=0.7km。据气象统计，多年平均最大风速11.8m/s，计算风速分别为：正常情况17.7m/s；校核情况11.8m/s。根据SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》,坝顶高程计算得坝顶超高Y=1.411m(正常蓄水位)、1.407m(设计洪水位)、0.872m(校核洪水位)。坝顶高程计算考虑两种工况：①正常蓄水位+正常运用坝顶超高；②校核洪水位+非常运用坝顶超高[6]。计算得各工况条件下坝顶高程成果，见表1。

根据SL 274—2001规定“当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙顶的要求。在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m；在非常运用条件下，坝顶应不低于静水位”。结合表1并考虑大坝沉降，设计取坝顶高程901.50m；防浪墙高出坝顶1.1m，墙顶高程902.60m。

4.2 大坝渗流及坝坡稳定计算

4.2.1 大坝渗流计算

根据设计大坝剖面图、钻探资料、洪水成果及采用的坝体粘土渗透系数：K1=5×10-4cm/s(坝体坝壳料填筑层)、K2=1.0×10-5cm/s(粘土心墙)进行计算。计算模型为：有限深透水地基(深5.0m)上心墙坝的渗流计算；计算工况为：①校核洪水位900.92m(p=0.2%)、下游水位为874.45m工况；②设计洪水位900.18m(p=2%)、下游水位为873.50m工况；③正常蓄水位898.00m、下游水位为873.00m工况。采用北京理正软件设计研究院编制的《理正岩土系列软件6.5版》之《理正渗流分析软件》进行分析[7]，渗流计算成果见表2。

表2 渗流计算成果表

从表2可知，大坝单宽渗漏量较小，大坝浸润线渗流坡降较缓。按太沙基公式计算得：坝体渗透比降为J=0.38，小于坝体允许渗透比降J=0.40，不会发生渗透破坏，坝体渗流性态满足规范要求。

表3 坝坡稳定计算成果(简化毕肖普法)

4.2.2 坝坡稳定分析

大坝为心墙坝，根据SL 274—2001规定，坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法[8- 10]。采用北京理正软件设计研究院编制的《理正边坡稳定分析软件》进行计算，分析得不同荷载组合工况下的上、下游坝坡稳定计算成果，见表3。

从表3可知，坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.23，发生在上游900.92m(下游874.45m)校核洪水位工况的下游坝坡，满足规范要求，坝坡稳定性好。

5 结论

为确保鲁家坝水库大坝加高扩建工程设计方案具有较高技术可行性和经济优越性，对建坝坝址、坝型及防渗体、枢纽布置和大坝结构等进行详细论证及设计，优选与大坝现状匹配性好、防渗结构适宜性强和枢纽布置合理的设计方案。

(1)大坝现为粘土心墙坝，故坝体加高仅限于柔性坝。经施工工艺、筑坝工程量和防渗体质量等条件对比分析，优选充分利用现有坝体结构、施工工艺较简便、工期和投资经济指标较好的粘土心墙坝方案。

(2)经大坝渗流及坝坡稳定性分析，计算结果表明：在不同荷载组合工况条件下，不会发生渗透破坏，坝体渗流性态及坝坡稳定安全系数均满足规范要求。