丹竹水库拦河大坝坝型比选及设计要点分析

胡德保，查恩尧

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州510220）

1 工程概况

丹竹水库为新建水库枢纽工程，位于广西岑溪市岑城镇思孟村丹竹岭头附近，距离岑溪市城区4km。该水库由大坝、溢洪道、输水隧洞、输水管线等组成。大坝坝址处控制集雨面积43.13km2，多年平均流量0.93m3/s。设计水库校核洪水位149.49m，总库容396万m3，正常蓄水位148.00m，兴利库容305万m3。工程及建筑物级别如表1。

表1 丹竹水库工程等别、建筑物级别

2 坝型方案比选

丹竹水库选定坝址河床宽30～70m，河床高程112.23～111.60m，两岸山顶高程180.5～203.5m，坝线与河道斜交，交角30°，河床宽30m，左岸坡度1°～40°，右岸坡度30°～40°，两岸风化较深，覆盖层较厚，无不良地质作用，具备建坝基本条件。

2.1 坝型初步筛选

根据选定坝址地形、地质条件，首先排除拱坝坝型；坝址附近（10km以内）难以找到石料场，因此排除面板堆石坝。下面重点考虑土坝和重力坝两种坝型。

2.1.1 均质土坝

土坝对基础要求不高，河底河卵石层厚2m，可开挖清除。坝址上游处有1座小冲沟，可布置排洪道。此外，通过地质勘探得知坝址附近岩石风化较深，土料储量丰富，运距近，可降低工程造价。另外，由于坝址附近缺乏黏土，应排除黏土心墙坝和黏土斜墙坝，因此，土坝坝型按均质土坝来考虑。

2.1.2 重力坝

重力坝对基础地质要求远比土坝高，按正常蓄水位148m考虑，其最大坝高已超过40m，坝址处强风化云母片岩承载力特征值0.6MPa，不能满足应力要求，必须挖至弱风化层［1］。此时，重力坝最大坝高将达到50m，坝顶长250m，混凝土方量30万m3。若采用浆砌石虽可降低造价，但施工进度较慢，且质量难以控制。因此，重力坝坝型按埋石混凝土（埋石率20%）重力坝来考虑。

2.2 坝型初步设计和比选

2.2.1 方案1（均质土坝初步设计）

若丹竹水库采用均质土坝，设计最大坝高42.50m，坝顶长222.0m，坝顶宽7.00m。大坝上、下游坝坡均由上而下分两级，坡比分别为1∶2.5，1∶2.75。下游坝脚设置堆石排水棱体，排水棱体长217m，顶宽3.0m，顶高程122.00m，内外坡坡比均1∶1.5。溢洪道布置于大坝左岸开挖的山体，输水隧洞布置在大坝右岸山体内［2］。

2.2.2 方案2（埋石混凝土重力坝初步设计）

为避免洪水淹没库区左岸高速公路，设计丹竹水库重力坝按闸坝方式布置。中间设置溢流段，溢流段堰顶布置工作闸门3扇、检修闸门1扇，闸孔尺寸10 m×5m，溢流净宽共30.0m。初拟闸底高程143.0m，闸顶高程148.5m，闸坝正常蓄水位148.0m。闸坝段上部设工作桥、启闭排架。左、右坝段拟采用埋石混凝土重力坝接入两岸山体［3］。

综合对比结果如下： ①方案1比方案2总投资省6195.9万元；②均质土坝能充分就地取材，工期短；③方案1在施工期间对周边环境及农田作物影响小。最终，经过比较后选用均质土坝作为丹竹水库大坝施工方案。

3 大坝设计要点分析

3.1 坝顶高程复核

坝顶超高按式（1）计算［4］，通过计算最终取丹竹水库均质土坝坝顶高程150.50m，防浪墙顶高程151.00m。

式中 Y为坝顶超高；R为平均波浪爬高（m），采用累积频率5%；A为安全加高，设计水位取0.5m，校核水位取0.3m；k1为斜坡的糙率渗透性系数，取值0.8；k2为经验系数；Hm为水域平均深度（m）；Lm为平均波长（m）；m为单坡坡度系数，取2.5。

设计水位和校核水下的水库坝顶高程计算结果如表2。

表2 丹竹水库坝顶高程 单位：m

3.2 大坝结构设计

3.2.1 坝体主体填筑设计

3.2.1.1 填筑材料设计

丹竹水库大坝设计填筑材料为黏土质砂，黏粒含量范围6.8%～8.2%，内摩擦角＞23°，凝聚力C值＞15kPa，渗透系数0.6～1.0×10-4cm/s（碾压后），有机质含量＜5%。坝体填筑土塑性指数7～17，水溶盐含量＜3%，最佳含水量设计8%，pH＞7，碾压后压实度≥96%［5］。

3.2.1.2 填筑施工设计

均质土坝施工简单，丹竹水库坝体填筑设计全部采用机械化施工，利用20t自卸汽车运料，用推土机推平，设计分层填筑，每层厚度不得超过500mm。按设计压实度选用16t振动碾分层碾压密实，局部用打夯机及人工夯实。

3.2.2 坝顶和护坡设计

3.2.2.1 坝顶设计

上游坝顶设C20混凝土防浪墙，墙高0.50m、宽0.40m；设计在坝顶铺设泥结石路面，厚度20cm，基层为级配碎石厚度20cm，路面设计2.5%横向坡，向下游侧放坡。下游侧路肩采用C20混凝土路肩，断面尺寸50cm×80cm（宽×高），护肩顶部与坝顶高程持平。

3.2.2.2 护坡设计

本次设计迎水面坝坡采用干砌石护坡，护坡高程自坝脚护至坝顶。变坡高程137.00m，在此处设计2m宽马道，在马道设计C15混凝土防滑齿墙1道，齿墙宽1m，高1.50m。按设计坡度修整坝坡后先铺筑砂垫层厚300d（d=0.5~5mm），后铺筑碎石垫层厚200d（d=5~20mm），再砌筑35cm厚干砌石护坡［6］。

下游坡变坡高程137.00m，同样设计宽2.0m马道1条。在马道内侧设M7.5浆砌石排水沟，坝顶与排水棱体顶的交通由3m宽步级连接，下游坝坡设草皮护坡。下游坝脚设置堆石排水棱体，长217m，顶宽3.0m，内外坡坡比均1：1.5。排水棱体采用干砌块石堆筑而成，棱体顶部采用C20混凝土压顶，厚15cm，棱体底部及干砌石与坝坡间做反滤层，反滤层厚0.6m，由3层粒径不同的砂石料铺筑而成，沿渗流方向砂石料粒径由小逐渐加大。在坝坡、坝脚设排水沟，并分别在左、右坝坡集水沟、下游坡脚集渗沟内设三角形量水堰，观测大坝渗流量。大坝结构示意如图1。

图1 大坝结构示意

4 坝体渗流及抗滑稳定性验证

4.1 坝体渗流稳定性计算

本工程根据地质勘探，大坝按不透水地基上均质土坝模型进行分析。设计采用“渗流有限元法”软件进行渗流计算。计算工况水位包括：①正常工况：上游水位148.00m，下游水位110.00m；②设计工况：上游水位148.48m，下游水位110.44m；③校核工况：上游水位149.49m，下游水位110.66m；④水位骤降工况：水位从149.49m骤降至143.00m。

4.1.1 临界坡降计算

本工程土体的渗透临界流土坡降计算如式（2）。

式中 Jc为渗透临界流土坡降；Gs为土粒比重；γ为水的容重；n为填土孔隙率；K为安全系数，取值2。

4.1.2 渗流计算成果分析

本工程大坝在正常蓄水位工况下的浸润线如图2（其他工况图省略），计算成果如表3。

图2 大坝渗流计算成果（正常蓄水位）

表3 丹竹水库大坝渗流计算成果

根据大坝剖面流网形态分析，在正常、设计、校核及水位骤降工况下，大坝的计算浸润线均从下游排水棱体逸出，对坝坡稳定有利。从大坝的渗透坡降值看，当库水位在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位及水位骤降时，大坝计算断面坝体渗透坡降分别为0.303，0.388，0.432，0.432，均小于临界流土坡降值0.47，说明大坝不会发生流土破坏，渗流稳定性满足要求。

4.2 坝体抗滑稳定性分析计算

根据相关规定，丹竹水库大坝属4级建筑物，在正常运用条件下坝坡抗滑安全系数不得小于1.25；在非常运用条件Ⅰ下，坝坡抗滑安全系数不得小于1.15；在非常运用条件Ⅱ下，坝坡抗滑安全系数不得小于1.10。

本项目采用计及条块间作用力的简化毕肖普法计算抗滑安全系数K，具体如式（3），计算结果如表4。

式中 W为土条重量；u为作用于土条底面的孔隙压力；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；с′，φ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标；ρ为土的实际加权平均密度；h为土条高度。

K值计算结果如表4。

表4 大坝上、下游坝坡抗滑稳定计算结果

由表4可知，丹竹水库大坝上游坝坡K值范围在1.47～1.63，下游坝坡K值范围1.26～1.55，均大于标准值，因此坝体抗滑稳定性符合规范要求。

5 结语

经上述分析，确定丹竹水库大坝的具体坝型及基本结构，通过软件模拟、公式验算等分析说明坝体的渗流稳定性和抗滑稳定性均满足规范要求，其大坝投入使用后，运行稳定良好，取得了较好的经济和社会效益。