出山店水库混凝土重力坝设计

2020-01-19

治淮 2020年12期

（中水淮河规划设计研究有限公司合肥 230601）

1 工程概况

出山店水库位于淮河干流上河南省信阳市出山店村，工程建设任务是以防洪为主，同时结合供水、灌溉功能且兼顾发电等，水库控制流域面积2900km2，总库容12.51 亿m3。水库完工投入使用后，可有效拦蓄调节上游山区洪水，削减干流息县、淮滨的洪峰流量，与后期拟建的张湾、袁湾、晏河水库等南岸支流水库联合运行，可有效提高水库下游保护区及王家坝以上圩区的防洪标准，使淮河中游防洪压力大大减小，工程还可以为下游50 万亩农田灌溉提供水源，同时为信阳市提供工业和生活用水。

2 工程总体布置

出山店水库混凝土重力坝段长429.57m，最大坝高40.6m，由连接坝段、表孔坝段、底孔坝段、电站坝段和非溢流坝段组成。

2.1 连接坝段

混凝土坝段1#～4#坝段为连接段，总长80.0m，左侧连接土坝段，右侧连接溢流坝段。混凝土刺墙外包粘土心墙，心墙外为砂壳上游坡采用0.28m 厚混凝土预制连锁砌块护坡。上游坡在平面上采用圆弧裹头型式侧墙相接。上游侧墙采用半重力式结构型式，下游坡采用0.1m 厚预制砌块护坡。插入刺墙分半插入段与全插入段，全插入段长20.0m。

2.2 表底孔坝段

混凝土坝段5#～13#坝段为溢流坝段，总长为150.5m，坝顶高程为100.40m，溢流表孔为开敞式结构，净宽15.0m，堰顶高程为83.0m，闸墩顺水流向长33.0m。堰面曲线上游段采用三圆弧曲线。溢流表孔经论证采用底流式消能、尾坎式消力池。14#～15#坝段为泄流底孔坝段，总长40.00m，位于溢流表孔坝段右侧，坝顶高程100.40m，坝基最大宽度48.60m，坝体迎水面为铅直面，底孔底板高程75.00m，孔口宽度7.0m，高度7.0m，共3 孔，中墩厚4.0m，缝墩及左侧边墩厚3.0m，右侧边墩厚6.0m。进口采用有压短管，喇叭口型式，进口上缘及两侧均采用椭圆曲线。从上游至下游为进口段、门槽段、压坡段、明流段。泄流底孔采用底流消能型式、尾坎式消力池。

2.3 电站坝段

混凝土坝16#坝段为电站坝段，坝段长度25.0m，坝顶高程为100.40m，基础开挖高程为65.00m，最大坝高35.4m，坝基最大宽度33.6m，坝段上游面垂直，坝顶宽12.00m，向上游伸出2.50m布置检修便桥，向下游以桥墩型式伸出布置交通桥，下游面以1︰0.75 斜坡段连接至82.00m 电站主厂房平台，副厂房布置在主厂房下游侧尾水平台上。压力管道采用坝身埋管布置型式，且采用单机单管供水，3 条压力管道平行布置，从进水口到坝后厂房。

2.4 非溢流坝段

混凝土坝17#～23#坝段为非溢流坝段，总长为134.07m。坝顶高程为100.40m，宽8.0m。17#～19#坝段开挖基面高程为65.0m，坝基面顺水流向长27.78m，上游面垂直，下游面坡度为1︰0.75。坝顶上游侧设挡浪墙，下游设栏杆。

3 工程设计的难点与重点

出山店水库混凝土重力坝基础条件复杂、各专业交叉频繁、建设期长、时间紧。在设计和建设期间遇到大量的难题需要攻关解决，总体而言主要难点、重点问题有三个：一是大体积混凝土温控控制问题；二是低水头、低佛劳得数消能防冲问题；三是缓倾角断层处理问题。

3.1 大体积混凝土温度控制

出山店水库重力坝表孔溢流坝段边墩厚3.0m，中墩厚3.5m，顺水流向长度31.0m，堰顶至墩顶高17.4m。闸墩采用的混凝土型号C30W4F150 和C35W4F150，出山店水库位于河南省信阳市，由于当地春季日平均气温不断上升，同时早晚温差较大，若不采取有效的温控措施，此时浇筑大体积、高标号混凝土，坝体混凝土内部最高温、最大温升及温度梯度等温度指标将急剧上升，坝体混凝土的温度应力将大于其抗拉强度，最终混凝土将产生裂缝。因此在闸墩浇筑时必须采取有效的温度控制措施。

本次对闸墩结构混凝土进行研究计算，选取其典型9#表孔坝段建立有限元整体模型网格，节点数77756，单元数70888。在设定温度边界时坝体横缝面、坝基础底面及四周均为绝热边界，其他面则为热量交换边界。在计算应力时，假定基础底面为铰支座，四周为连杆支撑，上部结构均自由。同时由于计算规模和时间限制且温度应力主要发生在温度变化激烈部位及其周围，取计算域基础在坝体向外扩展范围为：基础上、下游各取60m，垂直水流方向各取25m，地基深度取70m。表孔坝段从2016年11月份开始浇筑盖重层混凝土，按照新的浇筑进度计划，2017年5月份之前浇筑到坝顶，从6月1日到9月30日为汛期，混凝土表面过水，后一年水库开始蓄水，仿真计算一直模拟到蓄水后约10年时间。

考虑该工程的实际情况并结合以往类似工程的经验，在仿真计算结果和温控指标要求的基础上，提出了如下温控建议：（1）采用间距1.0m×1.0m 的水管，在高程89～100.4m 的闸墩中采用河水进行冷却，通水时间长度为10～20d，温度峰值后的温降速率不快于2℃/d，有效控制了温升；（2）表面保温，钢模板外贴5cm 厚聚乙烯苯板，拆模后立即覆盖聚乙烯卷材，覆盖时长不少于28d。间歇期仓面的覆盖材料为2.0cm 厚大坝保温被，仓面要尽早覆盖，尽晚掀开。温降在15℃左右的寒潮，覆盖4.0cm 厚的保温被，温降在20℃左右的寒潮，覆盖6.0cm 厚大坝保温被。

经过仿真计算，施工期采用“内降外保”总措施，合理设置混凝土冷却水管的同时控制浇筑出机口温度，制定科学有序的拆模和保温工序，提高了混凝土浇筑效率，经外观闸墩混凝土质量检查，未产生裂缝。

3.2 低水头、低佛式数消能

出山店水库溢流表孔单宽流量大、水头低、流速大且佛劳得数低，消能率仅为20%～40%，本工程在前期采用T 型墩+梯形墩消能的基础上增设了宽尾墩消能设施，有效提高了消能效率。出山店水库宽尾墩取B=9m、L=6.5m，由此确定宽尾墩收缩角θ=25°。为了分析联合消能工的方案消能效果，进行百年一遇、千年一遇、万年一遇三种工况下水工模型试验。由于增加了宽尾墩，下泄水流受到尾部宽尾墩的水平束窄，大幅增加了射流的厚度，使水流沿水深方向得到显著扩散。

由于尾墩加宽后，闸室沿程宽度变小，加宽后的墩尾将经溢流面入池的水舌分成两部分，闸室中部水舌仍为底流，而两侧水舌经宽尾墩挑坎形成挑流，由于两者联合作用水跃稳定。同时增加了水流的紊动作用，使得入池水流形成三轴漩滚，造成了水流的大量掺气，这是由于改变了自由水跃的水流结构。在模型试验中呈现出气水混合的乳白色状态，通过掺气和水流强烈的紊动掺混消除了水的动能，消能效果良好。

宽尾墩下泄的水流在进入消力池后，摩擦和冲刷仍然比较剧烈，在水流入池后，垂直水流方向上向两侧扩散，水流冲撞两侧边墙并回流在中部相遇继续冲撞翻滚，继续消耗一部分能量。水流经过T型墩的调整后稳定流入下游河道，在尾坎处二次水跃有所减弱。

经过模型试验验证，最终设计采用非完整宽尾墩+T 型墩+梯形墩联合消能工模式，得出的结论如下：（1）加宽尾墩后在三种典型工况下出池流速均有减小，降幅在0.6～2.0m/s，且大多下降在1.0m/s 以上，说明宽尾墩联合消能工有效降低了流速和冲刷。（2）联合消能工的运用在三种典型工况水位下使得消能率分别有所提升，说明宽尾墩的运用有效地增强了本工程溢流坝消能防冲效果。在2019年、2020年两个汛期泄洪后，下游河床和岸坡经检查，无明显冲刷痕迹，说明了非完整宽尾墩+T 型墩+梯形墩联合消能工模式这种消能防冲设计的安全性、合理性、科学性。

3.3 缓倾角断层处理

出山店水库重力坝坐落于花岗岩上，为中粗粒黑云母质，本区域花岗岩经历了加里东、喜山期等地质运动。其断裂构造主要为压扭性、扭性为主，型式为“λ”型，表底孔坝段建基面位于弱风化岩下部。重力坝最大坝高40.6m，其中表孔7#、8#坝段位于弱风化基岩的下部，可研阶段勘察发现F34断层周围强风化基岩深度较深，其破碎带等在施工期已开挖清除。F34 断层的倾角28°，F34 右侧发现了次一级F34-1、F34-2，其产状均与F34 相近，其以上各断层与f4 陡倾角断层形成切割，其间产生楔状体。根据重力坝设计规范进行深层抗滑稳定分析，结果显示各工况下其安全系数均不满足规范要求，因此急需对F34 及其上附属断层进行科学处理。

根据坝基开挖后的断层构造情况，拟定断层全挖除、上游侧布置深齿墙、混凝土洞塞、抗滑桩、抗滑桩+部分挖除、下游深齿墙六个方案。该工程最终对六个方案从工程安全、坝体整体结构的受力条件、施工难易程度以及工程投资和工期影响进行了比较，虽然全开挖方案投资稍高、工期较长，但从工程安全可靠、坝体结构受力明确、施工方便等综合考虑，采用全开挖方案，并相应的对该部位的固结灌浆、帷幕灌浆进行加深、加密处理，可以彻底消除F34 断层对坝体稳定的影响。

4 工程效益

2020年汛期，出山店水库先后出现两次较大洪水过程。其中最大一次洪水过程，最大入库流量为2280m3/s，最高库水位87.04m，超汛限水位1.04m。通过精准科学调度，水库消峰率达77.8%，滞洪时间达183h，作为未竣工验收的出山店水库与其他水库科学联合调度，最大程度减小了淮河干流的防洪压力，发挥了巨大的防洪效益。