邵家水库混凝土面板堆石坝枢纽布置及结构设计

聂乾

摘 要：针对邵家水库坝址区地质条件较复杂，坝基肩软质岩岩体承载力低、裂隙密集发育、抗滑抗变形能力差等不利地质问题。结合地质勘探揭露成果，对坝型地质适应性、大坝枢纽布置、坝体结构参数等关键技术问题进行详细论证和计算研究。分析成果表明：防渗加固等工程措施处理后，水库具备蓄水条件。优选的混凝土面板堆石坝方案具有较高的工程匹配性和技术经济性，可为同类型水库工程建设提供参考。

关键词：坝型比选;面板堆石坝;枢纽布置;邵家水库

中图分类号：TV641.43     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）11-0063-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.014

The Layout and Structural Design for Concrete Face Rock-Fill

Dam of Shaojia Reservoir

NIE Qian

（Guizhou Zhongcheng Tianhe Water Conservancy Engineering Co.， Ltd.，Gui'an 550003，China）

Abstract： The complex conditions of topography and geological with low bearing capacity of soft rock mass， dense development fissures， poor anti sliding and anti deformation ability at dam foundation abutment has been introduced in Shaojia reservoir. Combining site reconnaissance， the key technical problems such as the dam type geological adaptability， the dam hydro-project layout and the dam body's structural parameters have been demonstrated and calculated in detail. The analyzing results show that after being treated with anti-seepage reinforcement and other engineering measures， the reservoir has water storage conditions. And the optimal schemes of concrete face rock-fill dam design scheme has high engineering matching and technical economy， and can provide reference for the construction of similar reservoir projects.

Keywords： dam type comparison and selection; concrete face rock-fill dam; hydro-project layout; Shaojia reservoir

1 工程概況

邵家水库地处贵州省毕节市七星关区放珠集镇，工程任务是供水和农田灌溉，解决放珠集镇0.8万人的用水问题，保障灌区598.67 hm2（其中旱地275.67 hm2、经果林323.00 hm2）的灌面用水，同时保障灌区4 210人和3 789头牲畜用水，水库总库容为139万m3，多年平均总供水量为166万m3/a，其中向放珠集镇供水水量为58.4万m3/a，农村饮水供水量为22.5万m3/a，多年平均灌溉供水量为76.5万m3/a（P=80%时供水量为84.9万m3/a），供水泵站装机容量为2×160 kW，选定基本坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高52 m。

2 工程地质条件及坝型比选

2.1 工程地质条件

坝址区岩层单斜产出，产状N42°～45°E/NW∠45°～50°，总体倾右岸、偏上游，为基本对称的V形斜向河谷，在河湾地带为走向河谷。坝址区分布三叠系下统飞仙关组（T1f）地层以及第四系（Q），地层单一，T1f岩性为薄层夹中厚层钙质、泥质粉砂岩与砂质泥岩互层，厚度大于100 m，广泛分布于坝址区河床及两岸。坝基肩岩体多属软质岩，岩体承载力低，抗变形能力不一，压缩变形及不均匀沉降明显。加之坝址裂隙发育，岩体强度整体较低，抗滑、抗变形能力较差。根据上述坝址地形地质条件，结合水库规模，就土石坝、重力坝及拱坝三类基本坝型而言，坝址区分布岩性为薄层夹中厚钙质、泥质粉砂岩、砂质泥岩互层，总体属较软岩;坝址裂隙较发育，岩体强度较低，抗滑、抗变形能力较差;水库大坝最大坝高达到52 m，修建拱坝的风险较大，且拱坝对坝肩及坝基建基面的质量要求较高、施工难度大、施工工艺复杂、工期长 [1]。因此，设计不考虑修建拱坝，故从坝型适应性分析宜优选土石坝和重力坝坝型。

2.2 坝型比选

从坝线地形地质条件来看，既可建重力坝，也可考虑建当地材料土石坝。但对于重力坝而言，其存在以下问题：①两岸边坡高陡，其工程措施处理工作难度大，且工程量大;②坝基岩体承载力低，抗变形能力不一，强度差异较大，坝基存在较突出的压缩变形问题;③右岸地形单薄，为顺向坡，为满足坝基嵌深要求，大规模开挖势必形成高陡边坡，存在高边坡不稳定问题，边坡处理工程量较大。④坝址上下游均为河湾地形，坝顶溢洪道出口下泄洪水对冲左岸，出水条件较差，且左岸为顺向坡，处理工作量大。同时，重力坝方案工程投资约12 244万元，而土石坝方案枢纽部分投资仅为8 933.06万元，重力坝方案投资较大，土石坝方案经济性较优。由此可知，邵家水库坝址修建重力坝适宜性、经济性较差。因此，优选土石坝作为基本坝型。B5E7EC23-F76D-42D5-AB3B-40C48AEBBA28

对于土石坝，防渗体可选黏土、混凝土及沥青混凝土等材料[2-3]。经实地勘察，工程区附近无集中成片、储量和质量均满足要求的黏土料场分布。沥青混凝土施工受气候条件影响大，邵家水库所在地海拔较高，凝冻天气发生频率高，沥青混凝土施工进度及施工质量难以控制。综上所述，结合邵家水库当地天然建筑材料的分布情况，土石坝代表坝型选择施工技术简单、筑坝强度高、可充分利用当地丰富的天然筑坝材料、坝体填筑不受气候条件限制的混凝土面板堆石坝[4-5]，即优选混凝土面板堆石坝为邵家水库工程的代表坝型。

3 混凝土面板堆石坝枢纽布置

邵家水库枢纽包括大坝、溢洪道、取水兼放空建筑物等组成。

挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝轴线方位角NE73°45′57″，最大坝高52.0 m，坝顶宽度8.4 m，坝顶长124.17 m，坝顶高程1 498.00 m，坝顶上游设置倒T形防浪墙，防浪墙底高程1 497.25 m，防浪墙顶高程1 499.20 m，下游设防护栏杆。上、下游坝坡均为1∶1.4，下游坝坡在1 473.00 m高程设置2.0 m宽马道。混凝土面板面板等厚0.40 m，面板共分11块，受压区单块宽度12 m，受拉区单块宽度8 m。面板上游依次为铺盖区（顶部高程1 469.50 m，水平宽度2.5 m），蓋重区（顶部高程1 471.50 m，顶部水平宽度5.0 m）;面板下游依次为垫层区（水平宽度3 m）、过渡区（水平宽度3 m）、堆石区（顶部高程1 494.25 m）及下游干砌块石护坡（厚0.5 m）。周边缝及面板垂直缝间均设有止水。溢洪道位于右岸，紧邻大坝布置，轴线方位为SW197°55'54"，包括进水渠段、控制段、泄槽段、消能防冲段，总长143.49 m。取水兼放空建筑物位于大坝左岸，由导流洞改建而成，洞轴线方位角为SW205°24′2″，由闸井段、竖向转弯段、洞身段、闸阀室段和出水明渠段组成。

4 大坝结构设计

4.1 坝顶高程

邵家水库正常蓄水位为1 495.00 m，根据调洪计算结果，设计洪水位为1 497.03 m，校核洪水位为1 497.90 m。水库位于山区峡谷地区，坝区多年平均风速1.4 m/s，多年平均最大风速12 m/s。按《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL 228—2013）相关规定设计[6]，坝顶高程按各种运行情况的水库静水位加上相应坝顶超高后的最大值确定，坝顶高程计算成果如表1所示。

从表1可知，大坝防浪墙顶高程的控制情况为设计洪水位工况，根据规范规定，当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙顶的要求。但此时在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.50 m;在非常运用条件下，坝顶应不低于静水位。因此，邵家水库取坝顶高程1 498.00 m，防浪墙顶高于坝顶1.20 m，相应防浪墙顶部高程为1 499.20 m。

4.2 大坝结构布置

坝体分区从上游到下游分别为上游防渗补强区（石渣盖重区1B、黏土铺盖区1A）、垫层区2A、堆石区（过渡区3A、堆石区3B）。此外，在周边缝底部设有特殊垫层区2B，下游设0.5 m厚干砌块石护坡。大坝标准断面，如图1所示。

4.2.1 上游防渗补强区。含黏土铺盖区1A和石渣盖重区1B。考虑到坝高不高，水压力小的实际情况，上游铺盖区仅采用黏土铺盖。其目的是在面板出现裂缝和面板之间的板间缝、面板与趾板之间的周边缝张开时，形成防渗黏土铺盖辅助防渗作用，细料可随水流进入缝中，并在面板下部垫层料反滤作用下来淤堵裂缝使其自愈而恢复防渗性能的双重保护作用。死水位为1 483.00 m，取水兼放空孔底高程为1 475.50 m，50年淤沙高程1 475.20 m，确定上游防渗铺盖顶高程为1 469.50 m，顶宽2.5 m，上游坡1∶1.4，下游面紧贴面板和趾板。为防止防渗土料失稳流失，在黏土铺盖区1A上游侧设盖重区1B，采用开挖石渣填筑高程为1 471.50 m，顶宽5.0 m，上游坡1∶2.5。石渣盖重各建筑物开挖石渣料，粒径小于5 mm石渣料含量在0%～30%之间，设计干密度≥2.04 t/m3，相应孔隙率≤25%。

4.2.2 垫层区2A。邵家水库垫层区2A垫层料采用料场灰岩开挖料，经人工破碎筛分后配置，颗粒级配应满足以下要求：颗粒级配连续，最大粒径为80 mm，小于5 mm的颗粒含量宜为35%～55%，小于0.075 mm的颗粒含≤8%。压实标准按相对密度Dr≥0.85控制，设计干密度≥2.21 t/m3，或设计孔隙率≤18，压实后的渗透系数为1×10-4～1×10-3 cm/s。根据贵州省已建水库工程经验，取垫层区水平宽度3.0 m。在周边缝下游侧设特殊垫层区2B。特殊垫层区位于基岩与趾板接触区域，特殊垫层区高为3.0 m并向下游延伸3.0 m。特殊垫层料为料场爆破料场灰岩开挖料，经人工破碎筛分后配置。该料最大粒径40 mm，小于5 mm的颗粒含量为40%～55%，小于0.075 mm的颗粒控制在≤8%，孔隙率≤18%。

4.2.3 堆石区。过渡区3A是垫层料与主堆石区的过渡料区，其水平宽度为3.0 m。它的作用主要是拦截垫层料中带出的细颗粒，达到从垫层料向主堆石料粒径的过渡，减小垫层料与主堆石料之间的强度差，达到变形模量的过渡。因此，过渡料应具有良好的级配，压实后具有低压缩性，高抗剪强度，并能对垫层料有反滤作用。过渡料与垫层料相似，3A区变形也对面板有较大影响，故仍要求用料坚硬、软化系数低、密实度高，压实后具有低压缩性和高抗剪强度，并具有自由排水性能。颗粒级配应满足以下要求：颗粒级配连续，最大粒径不大于300 mm，小于5 mm粒径颗粒含量为20%～30%，小于0.075 mm粒径颗粒含量为≤5%，相对密度Dr≥0.85，设计干密度≥2.18 t/m3，压实后的孔隙率≤19%，压实后的渗透系数为1×10-3～1×10-2 cm/s。B5E7EC23-F76D-42D5-AB3B-40C48AEBBA28

堆石区3B位于过渡料下游，是面板坝承受水荷载及其他荷载的主要支撑体，要求具有低压缩性，高抗剪抗压强度，以确保在水荷载等作用下面板变形不超过允许值，并具有自由排水性能，透系数大于10-2 cm/s，施工及运行期均不产生孔隙水压力。料场开采堆石饱和抗压强度标准值为46.50 MPa，满足筑坝要求。颗粒级配要求满足：最大粒径为800 mm，小于5 mm颗粒含量≤20%，小于0.075 mm颗粒含量≤5%;压实标准按相对密度Dr≥0.85控制，设计干密度≥2.15 t/m3，压实后堆石的孔隙率≤20%，渗透系数>5×10-2 cm/s，并具有自由排水功能。

4.3 坝址区防渗处理

4.3.1 基础开挖。由于堆石体和地基因承受库水压力而产生的应力和变形主要分布在靠近上游三分之一范围内，余下三分之二范围内则较小。根据邵家水库工程地质情况，整个基面内覆盖层须全部清除，趾板基础河床段可置于T1f钙质、泥质粉砂岩、砂质泥岩弱风化岩体中上部，两肩则可将基础置于T1f钙质、泥质粉砂岩、砂质泥岩弱风化岩体上部，建基面嵌深河床以下7～12 m左右，左岸嵌深7～11 m，右岸6～10 m，左岸嵌深稍大。并对整个建基面内的风化破碎带、裂隙切割破碎带的岩体采取适当清挖后可满足建基面要求。主、次堆石区应进行合理地分区开挖，其中低压缩区应清除强风化带破碎岩体及全部覆盖层，将基础置于弱风化中上部较完整的基岩上;主堆石区间应清除强风化破碎岩体及全部覆盖层，将基础置于强风化上部;次堆石区则可清除表层残坡积层、冲洪积层等及浅表部强风化层破碎岩体，整平地基后基础即可满足坝体堆石承载要求。

4.3.2 坝基防渗处理。在趾板基础开挖过程中，爆破震动可能使岩体松动，从而降低其承载力。为提高岩石的强度及完整性，需要对趾板基础进行固结灌浆。邵家水库设计大坝趾板基础固结灌浆孔共2排，孔距为3 m、排距为3 m，按两序孔施工，共计布置灌浆孔130个。其中：第1排固结灌浆孔布置于帷幕孔上游;第2排固结灌浆孔布置于帷幕孔下游，固结灌浆孔底界进入基岩8 m，起灌高程为趾板顶部高程。同时，趾板基礎布置25锚杆，长4.5 m，间排距1.5 m，进行梅花形布置。

5 结语

邵家水库是毕节市七星关区放珠集镇重要的灌溉和供水工程，属峡谷型水库。坝址区地质地形条件较复杂，存在软质岩承载力低、裂隙发育、抗变形能力差等不利地质问题。为确保水库大坝枢纽布置方案具有较高安全可靠性和节能经济性，结合地质勘探成果，设计优选地质适应性强、施工技术成熟、经济效益较高的混凝土面板堆石坝方案。并对枢纽布置和大坝结构体型进行了详细论证设计，可为工程安全可靠施工建设提供重要的技术指导。

参考文献：

[1] 赵志远，龙明星，李斌旭.毛竹林水库混凝土面板堆石坝设计[J].水利技术监督，2018（5）：221-224.

[2] 平凡，刘佳.信丰三只水水库大坝设计方案比选[J].水利规划与设计，2018（11）：187-191.

[3] 时锴欣，唐毅，蒋昊楠.钟吕水电站混凝土面板堆石坝趾板设计[J].水利水电快报，2021，42（S1）：6-8.

[4] 李振纲.吉音水利枢纽面板堆石坝趾板设计[J].吉林水利，2019（11）：21-24，29.

[5] 蒲荣松，万学渊.中咀坡水库面板堆石坝设计[J].小水电，2018（3）：23-25.

[6 ] 胡海涛.德昌县和平水库工程混凝土面板堆石坝设计[J].四川水利，2020，41（2）：50-53.B5E7EC23-F76D-42D5-AB3B-40C48AEBBA28