龙河沟水库工程挡水建筑物设计综述

蒋 露

(贵州中水建设管理股份有限公司，贵阳 550003)

在水库工程的建设工作中，针对挡水建筑物的设计工作，需要充分关注建筑物的相关设计工作要点，并且需要针对挡水建筑物的抗滑性和稳定性等相关参数进行有效的计算，有效提高水库工程挡水建筑物的整体安全性和可靠性。针对我国龙河沟水库工程的挡水建筑物设计工作进行了分析，重点针对挡水建筑物的可靠性进行研究，不断提高水库工程的整体使用安全性和稳定性[1]。

1 工程案例

龙河沟水库工程位于我国石阡县西南部处河段，水库工程的坝型为面板坝，坝址处控制流域面积大小为3.83 km2。水库的总容量为241万m3，水库工程的正常蓄水位为846.00m，正常蓄水位以下的库容量为209万m3，死水位为821.00m，对应的水库容量为11.3万m3。每年可供水总量为288.1万m3，不含有生态水。水库工程为IV等级工程，属于小规模水利工程。针对龙河沟水库工程的挡水建筑物设计工作展开了研究和分析，该水库工程当中包含了各种枢纽建筑物、供水和引水工程几个重要的构成环节，水库的总库容量<0.1亿m3，且>0.01亿m3，属于小规模水利工程。

2 挡水建筑物级别

该水库工程主要水工建筑物洪水设计标准，依照水利水电工程等级划分、洪水划分标准、灌溉和排水工程设计规范、灌溉和排水工程实际规范以及《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2017)当中的相关标准来加以确定，具体如表1所示。

龙河沟水工工程的挡水建筑物使用年限设定为50a，管水管线和泵站设定为4级建筑物，使用年限为30a，引水坝结构为5级，建筑物合理的使用年限为50a，引水隧洞为5级，建筑物使用年限为30a。

3 枢纽挡水建筑物的重点设计指标

3.1 重力坝的安全系数设计

依照混凝土重力坝的相关设计工作要求，针对该水库工程内部5级重力坝挡水建筑物的运行期限进行了有效的设定，在各种荷载重力条件下，垂直应力不能出现拉应力作用，当水坝的垂直应力需要小于基础坝的容许压力大小，在施工期间挡水坝的垂直用力需要<0.1MPa的垂直拉应力。挡水坝的抗滑稳定性需要依照实际的施工条件来进行计算，重点判断挡水坝的抗剪断强度大小，要求基础组合时挡水坝的最小安全系数为k=3.0，特殊组合条件下，当水泵的最小安全系数为k=2.5。(龙河沟引水坝为五级建筑物)

3.2 面板堆石坝设计标准

依照小型水利工程碾压式土石坝的设计工作规范，面板堆石坝工程等级设定为4级，面板堆石坝的抗滑稳定性以及最小安全系数如表2所示。

3.3 挡水建筑物

龙河沟水库工程面板堆石坝的轴线方位为NE57.96°，坝顶的长度为203.90m，宽度为7.6m，坝顶高程为849.0m，最大坝体高度为45.30m。上游区域坝坡比例为1∶1.5，下游坝坡比例为1∶1.5。依照小型水利水电碾压式土石坝的设计工作规范，当水利工程的坝顶高层和水库工程的净水位之间相同的情况下，可以运用相应的条件计算方法取其中的最大值，坝顶的超高计算方式为：

y=R+A

(1)

式中：R为波浪在坝坡上的爬高，m；A为安全超高，m。

依照该水库工程的相关规范条件以(SL189-2013)附录数据参数为基础，准确计算出波浪的爬高大小为R，挡水坝顶部安全超高A取值为0.5m。依照实际的设计标准来进行灵活的调整，水库正常的蓄水位高度为846.00m，该水库区域平均最大风速为10.0m/s，最大的分区长度为1.0km，具体计算结果如表3所示。

表3 水库静水位以上坝顶超高

4 大坝标准剖面设计

4.1 坝坡

在针对水库工程坝坡混凝土面的设计工作中，主要是依照基坝的实际强度、构造特点以及堤坝的材料性质来加以确定，依照混凝土面板堆石坝的相关设计工作要点，堤坝材料设计为硬岩堆石材料时，上下游的河道堤坝可以使用1∶1.3-1∶1.4，主堆石区可以使用泥制灰岩材料[2]。该岩体强度相对较大，通过计算饱和的材料最大的强度超过40MPa，属于质地比较坚硬的岩石材料，因此在大坝坝体的结构设计工作中，针对上游的防渗面板和下游的垫层面板区域，需要采取下游石块护坡和下游堆石的挡水设计方法，有效提高整体的挡水工作效果[3]。

4.2 坝体分区和材料

依照面板坝的受力特性以及抗渗透工作要求，在本次挡水建筑物的设计工作中，主要的工作原则为，各个挡水区域之间必须要满足水体冲击和过渡工作的要求，从水体的上游向下游的滑体需要遵循渗透系数递增的设计条件，对应的下游坝体材料需要和上游之间形成反滤保护工作效果。坝轴线的上游侧方区域使用的是变形模量较大的堆石材料，下游区域则可以放宽设计要求，可以保证蓄水之后坝体的形变性更小，有效降低面板和止水系统的破坏性。

在挡水建筑物的设计分区上需要尽可能简化，方便后续的工程施工，同时也为后续的等水材料的运输以及提高填注质量打下良好的基础。

4.3 垫层区设计

从上述的挡水建筑设计条件来看，垫层区的宽度大小为3-5m，垫层区的材料通常使用人工加工的方式整体的成本相对较高，工程面板后垫层到水平宽度为3.5m。垫层区的主要作用是为挡水面板提供出良好的支撑条件，其次是从整个防渗角度上出发，为其提供出第二道工作防线，有效依照垫层的工作条件以及防渗漏的特点，需要做好以下几个方面的设计要求：

1)需要保证及配良好细集料需要满足挡水建筑物的空隙设计标准，有效保证挡水面具有较大的变形模量以及较大的密实程度，有效提高挡水面的支撑性的要求，保证水荷载所造成的形变量最小。

2)要保证具有相应的细度标准，取d小<5mm，保证渗透系数大小在10-14之间，要充分满足半渗透水的设计工作要求。在挡水建筑物的设计过程中，需要保证面板产生的漏水状况得到有效的控制，要通过挡水面板有效控制堤坝的总渗透量，有效降低垫层之后的堤坝水位高低，有效提高大坝结构整体的稳定性和水体的渗透性。通过这种设计方式可以对上游的铺盖涂料形成有效的反过滤作用，可以将渗流形成的颗粒直接带入到土缝当中，对渗流通道形成良好的填补和治愈作用[4-6]。

4.4 过渡区

过渡区主要位于垫层料和组堆石料中间过渡区，主要作用是预防垫层当中的细颗粒材料在渗透水流的作用下造成渗透和破坏，因此在设计工作中必须要充分满足法律工作准则，同时还需要有效降低垫层料和主石堆之间的强度差大小，以此来达到相应的形变量过度。因此通常需要配备相应的及配参数，保证过渡区具有良好的压缩性和抗剪强度，同时保证过渡区具有自由排水的工作效果。

4.5 主堆石区

主堆石区域是挡水坝面板承受水荷载以及外部荷载的重要支撑结构，通常情况下对主堆石区要求低压缩性及要具有更高的密度以及结构的抗体，强度有效保证挡水建筑物在外部水荷载的作用下，最大的面板形面积不会超过最大值，同时要具有自由的排水工作性能，渗透系数大小为10cm，在施工和使用过程中不能产生空气水压力。在确定下游堆石坝的位置时，需要考虑到两个方面的工作原则。首先，下游的堆石区需要设置在坝体，最小的受力区域有效保证挡水坝和面板形变量达到最小。其次，下游的堆石区底部高层不能低于下游的最高水位，有效保证堆石坝水利过度工作要求，保证上游的渗水可以直接排放到下游区域，下游的堆石区域要尽可能远离挡水建筑物的面板，保证压缩性对面板的变形影响最小，这也是提高整个下游挡水坝的重要作用。

5 结 语

针对下游护坡结构主要起到的是两个方面作用，第一是保护坝体的下游堆石料不会受到破坏，有效防止结构当中细颗粒、坝体材料不会受到雨水的冲刷作用而产生流失。第二是起到良好的美观性效果，要求使用20kg以上的土石块，形状大致平整，可以起到良好的稳定性效果，并且岩石块需要坚固耐用，抗风化作用，提高整个结构的挡水工作效果。