桂花园水电站大坝坝型比选及设计分析

向 阳

（宜昌市水利水电勘察设计院有限公司，湖北 宜昌443000）

1 工程概况

桂花园水电站位于宜昌市秭归县境内，为近期首开项目之一。控制流域面积60km2，河道长2km，属小（1）型工程，设计水库正常蓄水位602.00m，总库容773.02万m3，兴利库容569.2万m3，设计发电装机2×1000kW。

水库建成后，使下游梯级电站具有良好调节性能，有效改善秭归县电网供电质量和提高供电保证率，对增加地方财政收入、改善当地居民生活和生产的用水、用电等意义重大。本文主要对桂花园水电站大坝的坝型设计进行分析。

2 大坝坝型比选

2.1 坝线

由于桂花园水电站坝线出露地层为泥质粉砂岩，布置拱坝崁岩过深，开挖量大，且岩层厚度不满足要求，故上坝线布置拱坝方案和下坝线布置拱坝方案不成立。

由于左岸岸坡溢洪道出口冲坑正好位于石仓滑坡坡脚，有滑坡危险，威胁溢洪道，则下坝线若布置混凝土面板堆石坝方案也被淘汰。

通过综合分析，桂花园水电站大坝坝型可选择的方案有：上坝线重力坝；下坝线重力坝；上坝线混凝土面板堆石坝［1］。

2.2 坝线比较与选择

通过分析，3种坝线方案在交通条件、水能利用、水库淹没、运行管理等方面基本一致，不再做比较。本文对部分进行分析，如表1。

表1 3种坝线方案比较

由表1可知，下坝线重力坝投资最大，从经济性考虑淘汰；上坝线混凝土面板堆石坝和重力坝经济性差不多，但堆石坝在总体布置、施工条件存在较大问题，故淘汰。因此确定桂花园水电站设计上坝线重力坝（混凝土重力坝）为最终施工方案［2］。

3 大坝坝顶高程与基础加固

3.1 坝顶高程

坝顶高程是最重要的设计参数之一，相关计算如式（1）［3］。

式中 Δh为防浪墙顶与水库正常蓄水位高差（m）；hb为波高（m）；hz为波浪中心线至水库正常蓄水位高差（m）；hc为安全超高（m）。

经计算，桂花园水库各工况风浪爬高、风浪壅高、坝顶高程如表2。根据计算结果，取606.80m作为本项目坝顶高程。

表2 坝顶高程 单位：m

3.2 大坝基础加固

3.2.1 坝基加固方案确定

经地质勘查，桂花园水电站坝基岩体为泥质粉砂岩，岩层倾下游，产状12°∠45°，坝址处发育反倾向裂隙。为保证坝基稳定性，设计对建基面以下6～7m进行固结灌浆处理，要求固结灌浆范围为坝基面向上下游各延伸1m［4］。

3.2.2 固结灌浆参数确定

本项目设计灌浆钻孔呈梅花形布置，孔距和排距均3m，孔径53mm。灌浆方式为三序孔全孔一次性灌注（如图1）［5］，必须注意灌注顺序，灌浆压力控制在0.2～0.5MPa。为保证灌浆质量，要求设计现场试验，灌浆参数可根据地质条件的不同而适当调整。

图1 梅花形三序孔示意图

3.3 坝肩帷幕灌浆

3.3.1 坝肩加固

桂花园水电站两岸坝肩岩性是相对不透水泥质粉砂岩，两岸山体雄厚，但地下水位高，为防止绕坝渗漏问题，设计采取延伸帷幕灌浆施工处理。

根据钻孔情况，左坝肩灌浆帷幕向山体延伸15m，右肩灌浆帷幕向山体延伸30m。为避开右岸冲沟，帷幕向坝轴线上游20°方向延伸，两岸帷幕深度按小于3lu以下3m控制［6］。

3.3.2 帷幕灌浆参数确定

（1）帷幕灌浆沿坝轴线单排孔布置，孔距2.5m，按三序孔逐渐加密施工。施工工序：钻孔→冲孔→压水试验→灌浆→灌浆结束封孔。

（2）灌浆孔采用150型地质钻机施工，防渗帷幕深度按q<5Lu确定，并深入控制高程以下不少于5m，全孔灌浆结束后，用硬性水泥砂浆封堵。帷幕灌浆总体布置如图2。

图2 大坝帷幕灌浆总体布置

3.4 坝基抗滑稳定性验证

3.4.1 计算工况

（1）工况1（基本组合）：设计（正常）水位工况，坝体自重＋上下游静水压力＋泥沙压力＋扬压力＋浪压力。

（2）工况2（偶然组合）：校核水位工况，坝体自重＋设备自重＋上下游静水压力＋泥沙压力＋扬压力＋动水压力＋浪压力。

3.4.2 稳定性验证

坝基抗滑稳定安全系数如式（2）：

式中 K为抗滑稳定安全系数；f为坝体混凝土与坝基接触面磨擦系数，取0.6；∑W为坝体全部荷载对滑动平面的法向分值（kN）；∑P为坝体全部荷载对滑动平面的切向分值（kN）。

地基应力如式（3）：

式中 σy为坝踵、坝趾垂直应力（kPa）；∑w为作用于坝段全部荷载在坝基截面上法向力总和（kN）；∑M为作用于坝段全部荷载对坝基截面形心轴力矩总和（kN）；A为坝基截面积（m2）；x为坝基截面上计算点到形心轴的距离（m）；J为坝基截面对形心轴的惯性矩（m4）。

坝基抗滑稳定安全系数、地基应力计算成果如表3。

表3 抗滑稳定及应力计算成果

计算结果表明： 桂花园水电站坝基最大应力在溢流坝段校核水位工况下坝趾处产生，为2195.96kPa，地基应力计算结果均小于地基承载力2MPa（泥质粉砂岩），抗滑稳定安全系数满足设计要求。

4 结语

桂花园水电站经过综合比选确定了上坝线混凝土重力坝的施工方案，对坝基、坝肩加固及坝基抗滑稳定性等进行了针对性分析，在实际应用时还需紧密结合现场试验以确定最佳参数。