水庫混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計研究

楊平榮,譚劍波

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計院，南昌 江西 330029；2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

新建水庫工程由水庫樞紐和輸水系統(tǒng)組成，主要任務(wù)為向縣城中心城區(qū)供水.2030年(設(shè)計水平年)城市供水日供水量1.59萬m3/d，年供水能力達(dá)602萬m3/a(其中城市供水能力591萬m3，下游農(nóng)田灌溉用水10.7萬m3).水庫壩址以上流域面積51.2 km2，占全流域面積10.2%，河長8.46 km，主河道加權(quán)平均坡降23.9‰，多年平均徑流量878萬m3.正常蓄水位1 023 m，相應(yīng)庫容632萬m3，總庫容782萬m3，最大壩高50.0 m.根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)[1]規(guī)定，工程為小(1)型水庫，工程等別Ⅳ等.

2 壩址地形地質(zhì)條件

推薦壩址為基本對稱的“V”型河谷結(jié)構(gòu)，設(shè)計正常蓄水位1 023 m，谷口寬高比為3.2；近河岸坡覆蓋層厚度3～5 m，河床及岸坡地形陡峻段基巖多裸露.壩址河床及兩岸均為鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥頁巖分布，巖層平緩，壩址區(qū)無大的斷裂構(gòu)造通過，但裂隙發(fā)育，風(fēng)化深度較大.壩址區(qū)建柔性壩型不存在大的工程地質(zhì)缺陷，通過工程處理，具備建壩條件[2].面板堆石壩趾板基巖為薄層夾中厚層鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖；巖體在構(gòu)造裂隙帶較破碎，強(qiáng)度較低，承載力較低，為了提高壩基的整體性和剛度，防止不均勻變形，故對趾板基礎(chǔ)需采取一定的工程措施處理.主、次堆石區(qū)覆蓋層厚度不一，對主堆區(qū)應(yīng)清除覆蓋物及表層強(qiáng)風(fēng)化破碎巖體，次堆石區(qū)清除全部覆蓋層后，適當(dāng)平整地基即可滿足壩體堆石承載要求.地下水以基巖裂隙水為主，存在壩基及壩肩沿斷層破碎帶滲漏，須進(jìn)行防滲帷幕灌漿處理.

3 混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)布置

水庫大壩樞紐由混凝土面板堆石壩、左岸開敞式溢洪道、右岸取水兼放空管等組成.

3.1 擋水建筑物

大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高50 m，壩頂寬7.5 m，壩頂長158 m，壩頂高程1 027 m，上游設(shè)高2.50 m的L型防浪墻.上游壩坡1 ∶1.40，下游壩坡1 ∶1.40(共設(shè)2道寬2.0m馬道，綜合坡比1 ∶1.483)，最大壩底寬148.2 m.上游鋼筋混凝土防滲面板厚0.45 m，面板后設(shè)水平寬3.0 m墊層，墊層后設(shè)水平寬4.0 m過渡層，過渡層后為主堆石區(qū)，下游為次堆石區(qū)，下游壩面為干砌塊石護(hù)面.面板與河床和兩岸基礎(chǔ)相接處設(shè)趾板，厚0.50 m，寬5.0 m，置于基巖強(qiáng)風(fēng)化中下部～弱風(fēng)化上部較完整巖體上，趾板基礎(chǔ)采用固結(jié)灌漿和錨筋加固處理[3].

3.2 溢洪道

泄洪建筑物溢洪道布置在大壩左岸，為岸邊開敞式溢洪道，其平面布置圖(見圖1).

圖1 岸邊開敞式溢洪道平面布置圖

溢洪道軸線方位角為N41.72°W，包括引水渠、溢流控制段、泄槽段和消力池段，總長220.0 m.其中引水渠段34 m，渠底寬12 m，渠底高程1 012 m；溢流控制段長5.46 m，溢流堰采用WES曲線，凈寬12 m，堰頂高程1 015 m，為開敞式自由溢流；泄槽段長156.04 m，槽寬為12.00 m，坡降i=0.55；消力池長25.0 m，池底949.60 m.出口經(jīng)坡降i=0.002接下游河道.

3.3 取水兼放空管

取水兼放空管布置在右岸，采取“一洞多用”，即將施工導(dǎo)流洞改為放水洞.隧洞進(jìn)口布設(shè)放水閘門井，采用龍?zhí)ь^型式與隧洞連接[4].洞身穿Φ800放水鋼管(壁厚10 mm)，出口經(jīng)分別與泵站和閘閥室連接.取水兼放空系統(tǒng)，總長377.65 m，其中進(jìn)水口長7.7 m，壓力管道長369.95 m，利用導(dǎo)流洞洞身穿Φ800取水兼放空鋼管長301.96 m，在取水兼放空管樁號0+366處分水接Φ500取水支管(壁厚6 mm)至提水泵站，其總長26.0 m.進(jìn)水口采用岸塔式結(jié)構(gòu)，底板高程988.7 m，孔口尺寸1.2 m×1.2 m，設(shè)平板檢修門一道，采用卷揚式啟閉機(jī)啟閉；閘孔前端設(shè)攔污柵(孔口1.8 m×1.8 m)，采用電動葫蘆啟閉；閘孔后設(shè)Φ400通氣孔.

4 混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計計算

4.1 壩頂高程

在壩前水位達(dá)到992.20 m時，入庫洪峰流量135 m3/s對應(yīng)的庫水位不再上漲，導(dǎo)流隧洞下泄洪水流量110 m3/s，過水流速7.41 m/s.設(shè)計壩前度汛水位992.17 m，相應(yīng)攔洪庫容22.3萬m3.計算風(fēng)速正常情況取W=20 m/s，校核情況取W=14 m/s，計算風(fēng)區(qū)長度取D=800 m，壩頂高程按正常運用情況和非常運用情況分別計算得壩頂高程成果(見表1).

表1 壩頂高程計算成果表

表1可知，壩頂高程的控制情況為校核洪水位情況[4]，確定壩頂高程為1 027 m，另上游側(cè)增設(shè)1.0 m高的防浪墻，墻頂高程1 028 m.

4.2 筑壩材料

面板和趾板均采用C25混凝土，設(shè)單層雙向鋼筋，水平向配筋率為0.3%，豎向配筋率為0.4%，周邊縫附近增加加強(qiáng)筋，趾板設(shè)Φ25錨筋與基巖連接，單根長4.5 m，錨入基巖4.0 m，間距1.5 m.筑壩采用人工砂石料，墊層料最大粒徑80 mm，小于5 mm含量宜為30%～40%，小于0.1 mm含量宜控制在5%左右.過渡層最大粒徑300 mm，且級配連續(xù)，壓實后應(yīng)具有密實性和抗剪強(qiáng)度[5].主堆石料最大粒徑700 mm，次堆石料最大粒徑900 mm，下游壩面干砌塊石厚400 mm.

4.3 大壩分縫和止水

大壩面板混凝土采用滑模澆筑，為適應(yīng)壩體變形，面板設(shè)置12條垂直伸縮縫，垂直縫間距3.5～15 m.縫底設(shè)一道W型銅止水，縫面涂刷瀝青乳液，縫頂部采用GB弧凸?fàn)钏苄蕴盍希饧尤冶麖?fù)合板并用不銹鋼固定封閉保護(hù).在趾板與面板間設(shè)周邊縫，縫寬12 mm，縫內(nèi)設(shè)12 mm厚瀝青浸漬杉木板，底部止水采用“F”型紫銅止水片，止水銅片中間凹槽內(nèi)嵌設(shè)直徑12 mm的實心PVC棒；頂部“V”型槽內(nèi)設(shè)Φ25 mm的PVC棒，縫頂部采用GB弧凸?fàn)钏苄蕴盍?，外加三元乙丙?fù)合板并用不銹鋼固定封閉保護(hù).防浪墻與面板頂部水平接縫止水結(jié)構(gòu)與周邊縫相同，防浪墻伸縮縫分縫位置與面板垂直縫在同平面位置，中部設(shè)置銅止水一道.

4.4 壩基處理

4.4.1 壩基開挖

大壩河床段趾板基礎(chǔ)高程977.00 m，趾板寬度為5.0 m，對兩岸坡趾板在強(qiáng)風(fēng)化層以上應(yīng)開挖至弱風(fēng)化巖層.對局部風(fēng)化夾層、構(gòu)造破碎夾泥、節(jié)理裂隙均應(yīng)進(jìn)行槽挖并采用C20混凝土回填至設(shè)計趾板高程.在趾板下游約0.3～0.5倍壩高范圍內(nèi)的堆石體地基宜具備低壓縮性，開挖后不允許有妨礙堆石碾壓的反坡和陡于1 ∶0.25的陡坎.對兩岸坡段趾板基礎(chǔ)和堆石壩基開挖，全部或大部分清除強(qiáng)風(fēng)化巖體，將趾板、墊層和過渡層設(shè)于強(qiáng)風(fēng)化層下部[6]；大壩下游壩基范圍內(nèi)，清除表面土及松散砂礫石.除受層面控制外，強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)開挖邊坡采用1 ∶0.5，覆蓋層1 ∶1.開挖邊坡每升高10.0 m左右設(shè)一級馬道，馬道寬1.5 m.在趾板和壩基開挖中，對地質(zhì)條件較差位置的開挖邊坡采取噴錨支護(hù)，布置Φ25隨機(jī)錨桿，錨桿長3.0 m.

4.4.2 固結(jié)灌漿

在趾板基礎(chǔ)開挖過程中，爆破震動可能使巖體松動，降低其承載力，且壩址區(qū)小型斷層及節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石完整性較差，為提高巖石強(qiáng)度及完整性，需對趾板基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿并對斷層破碎帶進(jìn)行深挖回填.固結(jié)灌漿按兩排、孔深6 m、排距2 m布置，總量2 620 m.

4.4.3 帷幕灌漿

壩址出露以碎屑巖類為主，巖體為弱含水相對隔水層，巖體受裂隙切割和風(fēng)化作用的影響，巖體強(qiáng)至弱風(fēng)化層內(nèi)透水性較強(qiáng)，水庫蓄水后存在壩基(肩)繞滲問題，防滲處理措施采用防滲帷幕灌漿方案.左岸帷幕線過溢洪道后順壩軸線方向沿岸坡布置，右岸同樣近似順壩軸線向岸坡延伸，防滲邊、底界均以弱風(fēng)化及以下完整巖體為防滲依托，為接底式帷幕.大壩壩高50 m，屬中壩，防滲標(biāo)準(zhǔn)采用深入透水率q≤3Lu的巖體以下5～10 m(1～2段)為帷幕底界深度，河床段巖石透水率均較小.防滲主要考慮壩基揚壓力作用，結(jié)合大壩規(guī)模，壩基及近壩肩段孔深按大壩0.6倍壩高考慮；兩岸則結(jié)合勘探孔壓水實驗情況，孔深以深入弱透水巖體以下約10 m(1～2段)左右為限.因壩基巖體主要為砂巖，可灌性一般，設(shè)計孔距為2 m，孔序按3序次施工.河床帷幕孔深深入建基面以下30 m左右，河床段直接在趾板上施灌.兩岸壩頂高程以上地形陡峻，地面灌漿施工難度較大，為減少無效進(jìn)尺且便于施工，宜采用廊道式灌漿，在兩岸設(shè)灌漿平洞3 m×3.5 m(寬×高)進(jìn)行灌漿，左岸灌漿平洞長約24 m，右岸灌漿平洞長約24 m.帷幕起灌高程為915.00 m(正常蓄水位).防滲帷幕灌漿鉆孔總進(jìn)尺4 878 m，帷幕線總長約312 m，防滲帷幕有效總面積0.97萬m2.

5 結(jié) 語

(1)根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件,結(jié)合大壩建基面和混凝土面板壩樞紐壩體結(jié)構(gòu)布置及現(xiàn)場施工等因素，經(jīng)設(shè)計方案的優(yōu)化調(diào)整，水庫樞紐總體布置方案為：混凝土面板堆石壩+岸邊溢洪道+取水兼放空管(利用導(dǎo)流洞，洞內(nèi)穿管).大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高50.0 m.

(2)壩體從上游到下游依次為0.45 m厚鋼筋

混凝土防滲面板層，水平寬3.0 m墊層，水平寬4.0 m過渡層，上游主堆石區(qū)，下游次堆石區(qū)和下游干砌塊石護(hù)面層共6分分區(qū).

(3)經(jīng)多次方案優(yōu)化調(diào)整和大壩建基面實際條件,采取局部深挖C20混凝土回填、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等防滲加固措施，對大壩壩基、兩岸壩肩、壩體等進(jìn)行加固處理，壩體各結(jié)構(gòu)特性滿足《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 228-2013)相關(guān)要求，為工程安全可靠施工建設(shè)提供了重要技術(shù)指導(dǎo).

參考文獻(xiàn)：

[1] 酈能惠,楊澤艷.中國混凝土面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)步[J].巖土工程學(xué)報,2012,34(7):1361-1368.

[2] 楊澤艷,周建平,蔣國澄,等.中國混凝土面板堆石壩的發(fā)展[J].水力發(fā)電,2011,37(2):18-23.

[3] 酈能惠.高混凝土面板堆石壩設(shè)計理念探討[J].巖土工程學(xué)報,2007,29(8):1143-1150.

[4] 耿靈生,劉 云,劉莉莉,等.堆石混凝土技術(shù)在邢家峪水庫的應(yīng)用[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2013(1):65-66.

[5] 馬勛騁.街面水電站混凝土面板堆石壩主要技術(shù)問題探討[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2006，12(10):697-699.

[6] 接顯亮,鄧文澤.營口市玉石水庫取水壩段優(yōu)化設(shè)計[J].水利科技與經(jīng)濟(jì), 2013,19(5):38-39,41.