姜家溝水庫除險(xiǎn)加固工程土壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

范忠敏，鄭英俊，宋國濤

(1.尚志市水務(wù)局，黑龍江尚志150601;2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 工程概述

姜家溝水庫位于黑龍江省尚志市老街基鄉(xiāng)姜家溝村境內(nèi)，行政上隸屬尚志市水務(wù)局直接管轄。壩址地理坐標(biāo)為E128°00'，N44°58'。水庫壩址以上集水面積為17.6 km2，多年平均徑流量493萬m3，水庫原設(shè)計(jì)總庫容為158萬m3，是以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)魚等綜合利用的小(1)型水利樞紐。

2 土壩工程布置

本次設(shè)計(jì)土壩壩長為800 m，設(shè)計(jì)壩頂高程為132.70 m，平均壩高5 m，壩頂寬5 m。壩頂路面采用砂石路面，路面厚度20 cm，路頂兩側(cè)路緣石，寬15 cm，高40 cm。土壩加高培厚部分的上游坡比采用1∶3，下游坡比采用1∶2.5。土壩壩腳采用梯形混凝土固腳，頂寬40 cm，底寬80 cm，高80 cm。在高程127.20 m以下采用拋石型式，拋石頂寬3 m，坡比為1∶1.5。上游護(hù)坡型式為現(xiàn)澆混凝土板護(hù)砌，混凝土板厚20 cm，下設(shè)0.1 m礫石和無紡布一層，下游采用草皮護(hù)坡，設(shè)貼坡排水體及排水溝。

3 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274－2001)中的規(guī)定，確定壩體結(jié)構(gòu)。

3.1 壩頂加高方案比較

姜家溝水庫原設(shè)計(jì)壩頂高程為132.60 m，本次設(shè)計(jì)壩頂高程仍為132.60 m，現(xiàn)有壩頂高程131.7～133.4 m，現(xiàn)狀壩頂高程低于本次設(shè)計(jì)壩頂約1 m?，F(xiàn)有壩體加高約1 m即滿足設(shè)計(jì)要求。因此不進(jìn)行防浪墻方案比較。

3.2 壩長、壩頂寬度

本次設(shè)計(jì)壩長為800 m，平均壩高5 m。

3.3 壩頂路面設(shè)計(jì)

本工程壩頂路面采用砂石路面，路面厚度20 cm。

3.4 上、下游護(hù)坡設(shè)計(jì)

上游護(hù)坡型式為現(xiàn)澆混凝土板護(hù)砌，混凝土板厚20 cm，下設(shè)0.1 m礫石和無紡布一層;下游采用草皮護(hù)坡。

3.5 土料設(shè)計(jì)

依據(jù)SL189－96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中的規(guī)定，黏性土料壓實(shí)干密度應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀試驗(yàn)的最大干密度乘以壓實(shí)度確定，壓實(shí)度可取0.96～0.98。計(jì)算公式為:

式中:γd為設(shè)計(jì)干密度;m為設(shè)計(jì)壓實(shí)度，本次取m=0.97;γmax為最大干密度。

因此，本工程土壩加高培厚壩坡、壩頂及溢洪道拆除后筑壩土料設(shè)計(jì)控制指標(biāo)為土壩壩體設(shè)計(jì)控制干密度γd為1.514 g/cm3。

3.6 上游護(hù)坡設(shè)計(jì)

經(jīng)過勘察表明現(xiàn)狀土壩迎水坡比1∶2.05～1∶6.84，背水坡比1∶3.87～1∶4.50。土壩上下游均無護(hù)坡，對(duì)壩殼土的保護(hù)是薄弱環(huán)節(jié)，局部壩段上游邊坡已產(chǎn)生塌陷或下沉等現(xiàn)象，存在壩坡穩(wěn)定問題。

由于土壩上游無護(hù)坡，根據(jù)壩的等級(jí)、運(yùn)用條件和當(dāng)?shù)夭牧锨闆r，本次設(shè)計(jì)選用3種護(hù)砌方案進(jìn)行比較，即:干砌石護(hù)砌;現(xiàn)澆混凝土板護(hù)砌;預(yù)制混凝土板護(hù)砌。干砌石護(hù)坡要求石料比較堅(jiān)硬并耐風(fēng)化，實(shí)踐證明在東北地區(qū)由于凍脹、冰推力和風(fēng)浪的作用，干砌石護(hù)坡常遭到嚴(yán)重破壞。據(jù)對(duì)黑龍江省9座水庫護(hù)坡運(yùn)行狀況做的調(diào)查，4座干砌石、干砌條石護(hù)坡在冰蓋層以上2 m往下部分發(fā)生嚴(yán)重破壞?；炷涟遄o(hù)坡在筑壩地區(qū)缺乏石料時(shí)考慮采用此種型式，混凝土板護(hù)坡的抗凍脹、抗冰推力和抗風(fēng)浪的效果最好。

混凝土板護(hù)坡分為現(xiàn)澆板和預(yù)制板，現(xiàn)澆板整體性好，板塊大，板厚較薄，按計(jì)算及規(guī)范規(guī)定≥20 cm。預(yù)制板板塊小，板厚≥30 cm，運(yùn)輸及施工鋪裝困難，容易磕碰，外觀不整齊。通過以上分析及造價(jià)比較證明按計(jì)算選用混凝土板護(hù)坡，現(xiàn)澆板和預(yù)制板價(jià)位相當(dāng)，當(dāng)按規(guī)范要求選用時(shí)，現(xiàn)澆板比預(yù)制板省43.84萬元，比干砌石護(hù)坡省23.45萬元，因此本次推薦現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡方案，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，抗凍標(biāo)號(hào)F200，混凝土板厚20 cm，平面尺寸為3.0 m×3.0 m，下設(shè)0.1 m砂卵石和無紡布一層。

3.7 拋石

壩迎水坡坡腳高程為125 m，死水位高程126.20 m，固腳在水下1.2 m處，施工難度較大，因此高程127.20 m以下采用拋石型式，拋石頂寬度3 m，坡比為1∶1.5。

3.8 下游護(hù)坡設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀土壩下游坡護(hù)坡型式采用草皮護(hù)坡。土壩下游坡采用簡(jiǎn)化畢肖普法復(fù)核其壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，邊坡設(shè)計(jì)合理，滿足穩(wěn)定要求。

3.9 壩后排水設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)土壩下游未建排水體，壩體浸潤線較高，高水位運(yùn)行時(shí)，壩后出現(xiàn)滲漏。本次除險(xiǎn)設(shè)計(jì)土壩下游設(shè)貼坡排水體，排水體頂高程為130.30 m，頂寬1.5 m，坡比為1∶2.5，型式采用干砌石厚30 cm，下設(shè)20 cm碎石，無紡布一層。為排除兩岸雨水和壩后坡坡水，坡腳設(shè)排水溝，排水溝底寬0.50 m，深為0.5 m，采用干砌石厚30 cm，下設(shè)20 cm碎石，無紡布一層，最后排入下游低洼處河道。

［1］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.尚志市姜家溝水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.