铜锣径水库主坝填筑材料分区优化设计

庄美琪，杨东光，谭海劲

（1.深圳市水务局，广东 深圳 518040 2.广东省水利电力勘测设计研究院，广州 513605）

1 引言

铜锣径水库位于深圳市龙岗河支流响水河上，坝址至上游三洲田水库干流长4.99 km，集雨面积5.64km2，该水库是深圳抽水蓄能电站 （装机1200 MW，4台） 的下水库和深圳东部片区的调蓄供水水库，具有发电、供水及防洪等综合功能。

主坝在旧坝的基础上扩建而成，旧坝坝顶高程68.35m，最大坝高25m，扩建后坝顶高程85.90m，最大坝高47.5m，新旧坝高差22.5m。工程等别为Ⅰ等大（1）型，设计洪水标准500年一遇，校核洪水标准5000年一遇，地震基本烈度为7°，总库容2399.8万m3，正常蓄水位80m，死水位60m，水位最大消落深度20m。经前期各阶段坝型比较，主坝采用风化土心墙堆石坝。坝体堆石料由工程周边石场供应，但2012年4月工程开工时周边石场均已关停不再对外供应石料，石料短缺成为制约工程推进的主要因素。为保证项目按期竣工，对坝体填筑材料分区进一步优化，尽量减少堆石用量，控制工程投资。

2 优化设计原则

原设计已论证了充分利用旧坝的基础上进行加高加厚，并解决了新旧坝结合面临防渗体不均匀沉降引起的一系列对坝体不利的问题。因此，确保坝体稳定和控制变形是坝体材料分区［3-9］优化设计的关键，基本原则为：①维持原设计坝型不变；②在库水位骤降工况下坝体边坡和渗流稳定满足规范要求；③坝体变形满足规范要求； ④在任何情况下的渗透水都能通畅地排往下游；⑤基于上述条件，尽可能减少堆石用量和坝体总方量。

3 优化设计

3.1 原主坝设计方案

主坝轴线位于旧主坝下游，呈直线布置，坝顶高程85.9m，坝顶长433m，坝顶宽7m，最大坝高47.5m。坝体上游边坡1∶2.75，下游边坡1∶3，最大底宽约234.39m。

3.2 优化方案比较

坝轴线、坝顶高程、坝体长、高等基本参数维持原设计不变的情况下，根据优化设计原则，从减少堆石节省投资的目的出发，在满足坝体边坡稳定及变形要求的前提下，应尽可能大范围布置全强风化料。除下游坝壳外，在心墙与上游堆石之间可增设全强风化料区。初拟上游坝坡为1∶4，1∶3.25，1∶2.75，1∶3，4个方案进行比较，各坝体结构下游相同，差异在上游。

3.2.1 1 ∶4方案

心墙上游增设全强风化料，面上以3m厚堆石压坡，上游堆石与全强风化料之间设反滤层和过渡层，厚度均为1.5m。该方案坝体变形较大，不满足要求，方案不可行。

3.2.2 1 ∶2.75方案

心墙上游增设全强风化料区，顶高程与正常蓄水位齐平，顶宽3m，上游坡比1∶1.5；面上堆石压坡，堆石坡比上游1∶2.75。两者之间设反滤层和过渡层，层厚均为1.5 m。

3.2.3 1 ∶3.25方案

心墙上游增设全强风化料区，顶高程与正常蓄水位齐平，顶宽4.24m，上游坡比1∶2，面上堆石压坡，堆石坡比上游1∶3.25，两者之间设反滤层和过渡层，层厚均为1.5m。

经初步计算，上游坡1∶2.75和1∶3.25两方案均能满足规范要求，其堆石量分别为37万m3和40万m3，两方案的堆石量均有不同程度的降低。

3.2.4 1 ∶3方案

堆石坡比上游1∶3，下游1∶1.8，堆石量为31.86万m3，较前两个方案进一步减少。因此，推荐上游坡比1∶3的方案为优化方案。

坝体结构布置：上下游边坡均为1∶3，自上游至下游面，依次布置干砌石护坡（厚0.6m）、上游堆石区、过渡层（厚1.5m）、反滤层（厚1.5m）、新增全强风化料区、反滤层（1.5m）、风化土心墙、反滤层（厚1.5m）、过渡层（厚3m），下游高程48 m以上为全强风化料、以下为堆石，全强风化料和堆石之间设反滤层 （厚0.6m）。下游坡面为草皮护坡，坡脚设排水棱体。上下游建基面均设粗砂碎石垫层（厚1m）。

3.3 坝体稳定与变形计算

3.3.1 坝体稳定计算

对材料优化分区后的方案进行计算。坝基和坝体计算参数根据施工图阶段的室内试验和现场碾压试验有关数据及岩石特性，并参照国内类似工程的经验数据类比拟定［10-14］，如表1。

表1 坝基和坝体计算参数

坝体边坡稳定分析采用 《河海大学渗流边坡稳定计算程序（Autobank7）》进行计算，渗流计算采用有限元法，稳定计算采用简化毕肖普法。计算工况及结果如表2，坝体边坡抗滑稳定满足规范要求。

表2 坝体边坡稳定计算成果

3.3.2 坝体变形计算

坝体变形采用E-b模型进行计算，参数参照其他类似工程拟定（如表3），有限元网格如图1。

表3 材料的邓肯-张模型（E-b）参数

图1 优化设计方案剖面网格剖分

坝体变形计算结果如表4：

表4 主坝变形计算结果汇总

（1）从坝体的位移分布上看，竣工期最大沉降0.495m，蓄水期最大沉降0.388m，最大沉降为坝高的0.9%，主要发生在施工期［15-16］；蓄水后，坝体最大沉降量减少，因为蓄水后坝体孔隙水压力增加，有效应力降低，浸润线下坝体产生了微小的卸荷回弹变形。

（2）从坝体的大、小主应力分布上看，其较大值均在坝体底部［17］。竣工期断面大主应力最大值1.07MPa，小主应力最大值0.49MPa，蓄水后最大、最小主应力均有所降低，同样是蓄水导致有效应力降低所致。

4 工程量及投资变化情况

优化方案与原设计方案工程量比较： 堆石减少23.404万m3，全强风化料增加27.839万m3，堆渣增加8.43万m3，过渡层增加3.24万m3，反滤层增加1.156万m3，过渡排水层增加2.114万m3，粗砂碎石垫层增加2.065万m3，干砌石护坡增加0.395万m3。根据2014年第3期深圳市价格信息同比测算，优化方案造价14708.461万元，原方案造价16654.098万元，节省投资1945.54万元。

5 结语

鉴于筑坝石料来源困难，为避免影响工程进度，对主坝分区填筑材料进行优化设计。经计算分析后的推荐方案，其坝坡稳定及坝体变形满足规范要求，堆石量31.85万m3，比原方案减少23.404万m3；全强风化土石料83.74万m3，比原方案增加27.839万m3。坝体优化后体型和填筑方量有所增加，但增加的主要是全强风化料，而堆石料大大减少。按综合单价计算，优化后方案投资 （直接费） 较原设计方案减少1945.54 万元，优化设计满足工程需求，保证了工程按期完工，取得了显著工程效益。