来安县屯仓水库大坝工程的设计探讨

周 军

（安徽荣景工程设计咨询有限公司,安徽 合肥 230041）

1 工程总体布置

屯仓水库坝址位于来安县屯仓集石固山脚下,距来安县城17 km。水库控制流域面积187 km2,现状兴利水位53.20 m（吴淞高程系,下同）,设计洪水位55.60 m,校核洪水位56.87 m,现状兴利库容4850 万m3,总库容1.05 亿m3。屯仓水库历史上是一座以灌溉为主、按中型水库管理的大（2）型水库,随着社会经济的快速发展,逐渐转向为以农业灌溉为主,兼有工业供水、城市供水和生态环境补水等功能的综合利用水库,水库最大灌溉面积达20 余万亩,设计灌溉面积16.5 万亩,灌区占来安县耕地面积约四分之一。

水库枢纽工程由大坝、第一溢洪道、第二溢洪道以及东、西灌溉涵洞组成。大坝为均质心墙土坝,坝顶全长1120 m,坝顶高程59.0 m,最大坝高25.0 m；第一溢洪道位于大坝右岸,采用五孔泄洪闸控制,下游为弯道泄槽,末端采用挑流消能后再接两级消力池；第二溢洪道位于大坝以西的山凹内,距大坝500 m,保留上部交通桥,拆除原有自溃堰堰体；东涵、西涵在原址加高启闭机房高度,东涵背水侧延伸。

来安县屯仓水库抬高蓄水位工程可行性研究报告中拟定的大坝加高方案是在原坝坝址背水坡填筑加高,坝轴向略向下游偏移,设计坝顶高59.00 m,坝顶宽5 m,坝顶设防浪墙、交通道路,防浪墙顶高程60.20 m,拆除坝顶至原12%水泥土墙顶高程56.40 m 处,新建12%水泥土+土工膜与新建坝顶防浪墙连接,与原防渗墙形成整体。上游坝坡维持1∶2.5,下游53.00 m 高程设2 m 宽马道,马道以上背水坡1∶2.5,马道以下背水坡1∶3。坝顶结构及防渗细部结构见图1。

图1 坝顶结构及防渗细部结构

2 大坝加高设计

2.1 坝顶高程复核

按照《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）规定,永久性挡水建筑物的顶部高程应按工程设计工况和校核工况时的静水位加相应的顶部超高。坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：

式中：y 为坝顶超高,m；R 为最大波浪在坝上的爬高,m；e为最大风壅水面高度,m；A 为安全加高,2 级建筑物设计工况和校核工况分别为1.0 m 和0.5 m。

依据《碾压式土石坝设计规范》：

设计条件：

校核条件：

（6）坝顶超高y 值

正常运用条件下坝顶超高：y=1.366+0.003+1.0=2.369 m,取2.37 m；

非常运用条件下坝顶超高：y=0.831+0.001+0.5=1.332 m,取1.34 m。

（7）坝顶高程

根据《碾压式土石坝设计规范》第5.3.3 条规定,坝顶高程分别按以下运用工况计算,取其最大值。

①设计洪水位加正常运用工况的坝顶超高：57.25+2.37=59.62 m。

②正常蓄水位加正常运用工况的坝顶超高：55.5+2.37=57.87 m。

③校核洪水位加非常运用工况的坝顶超高：58.05+1.34=59.39 m。

④正常蓄水位遭遇地震时的坝顶超高：55.5+1.34+1.0=57.84 m。

取以上条件的最大值,坝顶高程为59.62 m。

屯仓水库坝顶高程由设计洪水位加正常运用工况的坝顶超高控制,要求最小坝顶高程为59.62 m。水库现有坝顶高程为57.70 m,防浪墙顶高程58.90 m。现有坝顶高程不满足规范要求,本次拟加高坝顶到59.00 m,坝顶设防浪墙,防浪墙顶高程60.20 m。屯仓水库坝顶超高计算成果见表1。

表1 屯仓水库坝顶超高计算成果表

2.2 坝顶设计

坝顶设计拟将现状坝顶拆除,采取加培土方的方法加高坝顶。将坝顶拆除至54.7 m,上游坡按1∶2.5 的坡比上延至59.00 m,坝顶宽度5.0 m,新建防浪墙采用钢筋砼悬臂式结构,墙顶高程60.20 m,墙体每15 m 分缝,缝间设橡皮止水。

2.3 坝顶道路

大坝现状坝顶道路为混凝土路面,故坝顶改造后,坝顶仍采用混凝土路面。新建混凝土路施工在防渗墙完工后进行,首先将坝顶修整至59.00 m 高程,再铺设200 mm 的水泥稳定级配碎石基层,其上设250 mm 厚C25 素混凝土,路面设置向下游3%的横坡,以利排水。

坝顶增设照明设施,在防浪墙顶上每隔50 m 设置一根照明灯杆及灯具,线路采用暗管铺设在防浪墙内。

3 大坝加高防渗设计

屯仓水库大坝为心墙土坝,坝身土料以粉质粘土和重粉质壤土为主,考虑到坝身及坝基防渗均存在薄弱环节,防渗能力不满足要求,在2008 年加固时坝体防渗加固结合坝基防渗进行,降低了坝体浸润线,提高大坝稳定性。由于坝顶高程不满足规范防渗要求,现需抬高坝顶至设计高程,需对大坝进行防渗处理。

3.1 防渗方案

原大坝采用混凝土防渗墙与多头小直径深层搅拌墙组合方式进行防渗加固,本次对采用12%水泥土+土工膜连接原12%水泥土墙或新建混凝土防渗墙连接原混凝土防渗墙两种防渗方案进行方案比选。原坝体采用混凝土防渗墙与多头小直径深层搅拌墙组合方式进行,自原坝顶轴线上游侧1.1 m 处布置防渗墙,防渗墙顶部高程为54.70 m。混凝土强度等级C20,抗渗等级W4,墙底高程为42.0 m。两侧岸坡段采用多头小直径防渗墙,墙底触及基岩即可。混凝土防渗墙最大深度为27.7m,平均深度为20.8 m,混凝土防渗墙面积为14578 m2；多头小直径防渗墙平均深度为7.15 m,防渗墙面积为2838 m2。

（1）方案一：12%水泥土+土工膜连接原12%水泥土墙

方案布置：拆除坝顶至原12%水泥土墙顶高程56.40 m处,新建12%水泥土+土工膜与新建坝顶防浪墙连接,与原12%水泥土墙形成整体,新建12%水泥土+土工膜墙沿坝轴线总长度1022 m。

（2）方案二：新建混凝土防渗墙连接原混凝土防渗墙

方案布置：拆除坝顶至原混凝土防渗墙顶高程54.5 m 处,新建混凝土防渗墙与新建坝顶防浪墙连接,与原防渗墙形成整体。

3.2 方案比选

以上两种方案在技术上都是可行的,均能够达到控制坝体和坝基渗流,降低坝体浸润线的目的,两种方案技术经济分析比较如下。

方案一：优点是与原有防渗体系保持一致,碾压坝体施工方便；缺点是拆除坝顶后新、老的水泥土衔接部位防渗处理较为困难,新增坝体的碾压密实度要求较高。

方案二：优点是可以利用原有部分防渗体系,减少工程的投资；缺点是拆除坝顶后新、老混凝土防渗墙之间的衔接处理难度较大。

上述两种加固处理方案在技术上均可满足坝体防渗要求。方案一对新增的坝体碾压要求比较高,碾压达不到密实度要求以及新老水泥土的连接不紧密就会造成防渗系统的不连续,从而影响防渗效果；方案二新增的坝体碾压要求比较高,碾压达不到密实度要求以及新老混凝土防渗墙的连接不紧密就会造成防渗系统的不连续,从而影响防渗效果,且需要拆除坝顶较方案一多,拆除原水泥土防渗墙可能造成原防渗体系的扰动等。因此,防渗加固设计推荐采用方案一,即12%水泥土+土工膜连接原防渗墙方案。

4 结语

屯仓水库大坝扩建抬高后会进一步增强水库的调蓄能力,能有效增加水库的兴利库容,产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益,进而推动当地经济发展和社会进步。屯仓水库通过大坝扩建和相关配套工程建筑物建设,有利于保障来安县城市供水安全、改善区域农业灌溉条件和生态环境；有利于促进区域社会经济发展,推动来安县汊河新城的城市化进程。