五里壩水庫(kù)工程混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)

何米杏

(貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550001)

1 工程概況

五里壩水庫(kù)位于黔南州平塘縣通州鎮(zhèn)打貴河村境內(nèi)，擬選壩址所在河流為打貴河，屬于珠江流域紅水河水系曹渡河右岸一級(jí)支流.工程主要任務(wù)是向通州工業(yè)園區(qū)用水、集鎮(zhèn)農(nóng)村人畜飲水及下游農(nóng)田灌溉供水，水庫(kù)設(shè)計(jì)年供水量841.00萬m3，其中工業(yè)園區(qū)年供水量609.00萬m3，集鎮(zhèn)農(nóng)村人畜飲水年供水量173.80萬m3，灌溉年供水量58.20萬m3，下放生態(tài)水量為169.20萬m3.壩址控制集水面積28.20 km2，校核洪水位902.43 m(P=0.2%)，總庫(kù)容552.00萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬小(1)型.正常蓄水位898.00 m，正常蓄水位以下庫(kù)容461.00萬m3；死水位860.50 m，死庫(kù)容29.10萬m3，興利庫(kù)容431.90萬m31).

1) 貴州省水利水電工程咨詢有限責(zé)任公司.平塘縣五里壩水庫(kù)工程可行性研究報(bào)告[R]，2014.

2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

壩址河段河谷總體為不對(duì)稱的寬“V”型谷，左岸坡總體較右岸坡緩，地形坡度20°～35°.右岸坡在高程890 m以下，地形坡度在40°～50°之間，高程在890～910 m，地形坡度在60°～75°之間；910 m高程以上，地形坡度為50°～65°.左岸坡峰頂高程多在1 000 m以上，右岸坡峰頂高程多在1 050m以上.壩址左岸為凹岸，沖刷較強(qiáng)，右岸為凸岸，谷底為農(nóng)田.河床較平緩，無跌坎、深潭發(fā)育.河床高程為840～850 m，落差約10 m左右，平均比降約3.3%，河流總體自東向西流，呈侵蝕地貌.壩址分布地層主要為石炭系下統(tǒng)大塘組舊司段第一層第一小層(C1d1-1-1)，巖性為黑色泥頁巖、炭質(zhì)頁巖為主夾少量砂巖，鉆探巖芯采取率和完整性均較高，部分巖芯易風(fēng)化，風(fēng)化后沿層面裂開，呈薄層、極薄層狀，長(zhǎng)時(shí)暴露于空氣中易崩解變色，該層所夾砂巖主要分布于河床高程上下，砂巖所占比例小于10%，C1d1-1-1分布于壩址及兩岸940.00 m高程以下，河床局部、陡崖及沖溝底部有出露.岸坡地下水位主要處于風(fēng)化巖體下部，但總體高于河水位，岸坡地表水、地下水均補(bǔ)給河水，為補(bǔ)給型河流.

3 混凝土面板堆石壩首部樞紐布置

3.1 適宜壩型分析

從地形條件分析，河谷在正常蓄水位898.00 m時(shí)對(duì)應(yīng)谷寬為270 m，寬高比為4.5∶1.兩岸坡地形不順直，左岸為凹岸，右岸為凸岸，上、下游均發(fā)育有切深不等的沖溝，岸坡不平直，地形條件不宜建拱壩.從地質(zhì)條件分析，壩址河床及兩岸分布地層均為C1d1-1薄至中厚層狀炭質(zhì)泥、頁巖，偶夾砂巖.河床段表層有約4 m厚的砂巖，多為強(qiáng)風(fēng)化，巖體破碎，兩岸坡為炭質(zhì)泥、頁巖，薄層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育.壩基弱風(fēng)化巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度在35 MPa，巖體強(qiáng)度低，巖體軟弱.左岸為順向坡、右岸為逆向坡，巖層緩傾右岸， 傾角7°～12°，左岸坡覆蓋層、風(fēng)化層厚，岸坡開挖邊坡問題突出，右岸坡上部風(fēng)化破碎及卸荷現(xiàn)象較明顯，下部為較厚的覆蓋層及風(fēng)化層，故不宜修建剛性壩.根據(jù)地表勘察及鉆探成果，綜合考慮工程導(dǎo)流、施工技術(shù)、綜合投資等因素[1]，推薦采用混凝土面板堆石壩進(jìn)行樞紐布置，其方案為：混凝土面板堆石壩+右岸開敞式溢洪道+右岸取水兼放空建筑物(部分由導(dǎo)流洞改造)組成.

3.2 擋水建筑物布置

大壩壩軸線方位為正北方向，壩頂高程903.40 m，河床趾板布置于弱風(fēng)化巖體上部，岸坡趾板大部分布置于弱風(fēng)化巖體上部，靠近兩壩肩部分至于強(qiáng)風(fēng)化巖體中部至中下部.上游壩坡為1 ∶1.41、下游壩坡為1 ∶1.4.混凝土面板厚度從上向下逐漸漸變[2]，面板上游依次為鋪蓋區(qū)、蓋重區(qū)；面板下游依次為墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)及下游塊石護(hù)坡.

3.3 泄水建筑物布置

泄水建筑物為4級(jí)，設(shè)計(jì)洪水50年一遇，下泄洪水流量181.00 m3/s；校核洪水500年一遇，下泄流量294.00 m3/s；消能防沖建筑物洪水20年一遇，下泄洪水流量138.00 m3/s.溢洪道布置在右岸，緊挨著大壩右壩肩，為岸邊正槽式溢洪道，其平面布置圖(見圖1).

圖1 岸邊正槽式溢洪道平5面布置圖

溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段和消能段組成.引渠段為溢0-042.00～0+000.00，底板高程895.00 m.控制段為溢橫0+000.00～0+012.44，溢流堰分2孔，凈寬2×7.5 m，開敞式溢流.溢流堰采用WES曲線，堰頂高程898.00 m，冪曲線y=0.172X1.85，溢流堰上游用長(zhǎng)半軸0.90 m、短半軸0.50 m的橢圓與上游坡相接.泄槽段為溢橫0+012.44～0+167.57，矩形斷面，寬15.00 m，側(cè)墻高3.0 m，寬1.00 m，底板厚0.50 m，底坡i=0.344，最大流速26.56 m/s，采用C40鋼筋混凝土.消能段為溢橫0+167.57～0+208.57，出口消能工采用底流消能，消力池長(zhǎng)40.00 m，坎高4.00 m，坎為厚1.00 m的C40鋼筋混凝土.消力池底板高程836.50 m，底板厚1.5 m，從上而下為0.5 m厚C40鋼筋混凝土和1.0 m厚C15混凝土基礎(chǔ)，側(cè)墻凈高8.0 m，頂寬1.5 m，底寬3.75 m，內(nèi)側(cè)襯砌1.0 m厚C40鋼筋混凝土，外側(cè)均采用C15混凝土澆筑.

3.4 取水兼放空建筑物布置

取水兼放空管建筑物布置在大壩右岸，由引水段、塔式取水口、隧洞段及隧洞出口段組成[3-4].受地形條件影響，取水口與導(dǎo)流洞進(jìn)口分開布置.為減少工程投資，部分取水隧洞由導(dǎo)流洞后期改造而成，然后洞內(nèi)布置取水兼放空管.引水段總長(zhǎng)40.00 m，底板高程856.00 m，凈寬7.60 m.塔式取水口總長(zhǎng)10.40 m，進(jìn)口底板高程857.00 m.在塔式取水口進(jìn)口設(shè)置一攔污柵，尺寸為3.6 m×2.8 m(寬×高)，攔污柵后設(shè)一扇平板事故閘門，尺寸為2.0 m×2.0 m(寬×高)，工作閘門后設(shè)1.0 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬)通氣兼進(jìn)入孔.取水隧洞總長(zhǎng)488.33 m，取0+000.00～取0+010.40為取水口進(jìn)口；取0+010.40～取0+112.83新建取水隧洞，底坡i=0.045 2；取0+112.83～取0+498.56隧洞由導(dǎo)流洞改造而成，底坡i=0.025 6；隧洞洞身采用城門洞型，凈寬2.8 m，凈高4.0 m，出口底板高程842.50 m.Φ1 200 mm取水兼放空鋼管在隧洞出口經(jīng)過閘閥室后接入消力池內(nèi)，在閘閥室分出一根Φ700 mm鋼岔管作為工業(yè)園區(qū)及人飲取水管，分出一根Φ300 mm鋼岔管作為下游灌溉輸水管，分出一根Φ200 mm鋼岔管，作為生態(tài)水用.

4 混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 壩頂高程

大壩為4級(jí)建筑物，面板堆石壩按50年一遇洪水設(shè)計(jì)和500年一遇洪水校核的控制工況來確定壩頂高程.根據(jù)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，大壩設(shè)計(jì)洪水位為901.21 m，校核洪水位為902.43 m，正常蓄水位為898.00 m，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度(吹程)D=1 000 m，正常條件設(shè)計(jì)風(fēng)速W=18 m/s，非正常條件下設(shè)計(jì)風(fēng)速W=12 m/s.按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)及《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL228-2013)相關(guān)規(guī)定[5-6]，壩頂高程按正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位+正常運(yùn)用情況的墻頂超高3種運(yùn)用工況進(jìn)行分析，壩頂高程計(jì)算成果(見表1).

表1 壩頂高程計(jì)算成果表

從表1可知，壩頂高程的控制情況為校核洪水位情況，最終選定壩頂高程為903.40 m，防浪墻高出壩頂1.20 m，防浪墻頂高程為904.60 m.

4.2 壩頂標(biāo)準(zhǔn)剖面

壩頂高程903.40 m，河床趾板建基面高程836.00 m，最大壩高67.40 m，壩頂寬度7.80 m，壩頂長(zhǎng)269.06 m.上游側(cè)設(shè)“L”型防浪墻，墻高3.70 m，頂部高程904.60 m.防浪墻上游底部設(shè)置1.0 m寬的小道以利檢查行走.防浪墻與面板間用止水連接.大壩堆石料為灰?guī)r，上游壩坡為1 ∶1.41、下游壩坡為1 ∶1.4，下游綜合壩坡為1 ∶1.492，下游壩坡分別在高程868.00 m、886.00 m高程處設(shè)置2.0 m寬的馬道.混凝土面板厚度從上向下漸變，面板頂部厚度為0.30 m，底部最大厚度為0.67 m，下游面為干砌塊石護(hù)坡，厚0.50 m，壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面(見圖2).

圖2 面板堆石壩典型橫剖面圖

從圖2可知，壩體分區(qū)為上游蓋重區(qū)1B(頂部寬3 m，坡比1 ∶2.5，高程859.00 m)，上游鋪蓋區(qū)1A(頂部水平寬3 m，坡比1 ∶2.0，頂部高程859.00 m)，C25混凝土面板F(厚t=0.30～0.67 m)，特殊墊層區(qū)2B，墊層區(qū)2A(水平寬度3 m)，過渡區(qū)3A(水平寬度3 m)，主堆石區(qū)3B(上游坡1 ∶1.41，下游坡1 ∶0.5)，下游堆石區(qū)3C(上游坡1 ∶0.5，下游坡1 ∶1.4)，下游塊石護(hù)坡3D(厚0.5 m).上游壩坡為1 ∶1.41、下游壩坡為1 ∶1.4，下游綜合壩坡為1 ∶1.492，下游壩坡分別在高程868.00 m、886.00 m高程處設(shè)置2.00 m寬的馬道.混凝土面板厚度從上向下逐漸漸變，面板頂部厚度為0.30 m，底部最大厚度為0.67 m，下游面為干砌塊石護(hù)坡，厚0.50 m.

墊層料最大粒徑為80 mm，小于5 mm顆粒的含量為35%～55%，小于0.075 mm的顆粒含量控制在0%～8%，設(shè)計(jì)干密度≥2.18 t/m3，孔隙率≤19%，滲透系數(shù)10-3cm/s.墊層區(qū)的上游坡面要求認(rèn)真修坡、壓實(shí)，以便混凝土澆筑.過渡料最大粒徑為200～300 mm，小于5 mm顆粒的含量為20%～30%，小于0.075 mm的顆粒含量控制在0%～5%，設(shè)計(jì)干密度≥2.15 t/m3，孔隙率≤20%，滲透系數(shù)10-2～10-3cm/s.主堆石料最大粒徑為500～800 mm，小于5 mm顆粒的含量為0%～20%，小于0.075 mm的顆粒含量控制在0%～5%，設(shè)計(jì)干密度≥2.13 t/m3，孔隙率≤21%，滲透系數(shù)10-1～10-2cm/s.下游堆石區(qū)最大粒徑為800 mm，小于5 mm顆粒的含量為0%～20%，小于0.075 mm的顆粒含量控制在0%～5%，設(shè)計(jì)干密度≥2.1 t/m3，孔隙率≤22%，滲透系數(shù)10-1～10-2cm/s.為封堵面板可能出現(xiàn)的裂縫以及張開的周邊縫和板間縫，在上游壩面高程859.00 m以下設(shè)置粉砂土鋪蓋及石渣蓋重.回填粘土滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s，用運(yùn)輸機(jī)械分層壓實(shí)；回填石渣為任意料，亦要求用運(yùn)輸機(jī)械與粘土料同時(shí)分層壓實(shí).

4.3 壩基處理

壩基開挖，開挖邊坡為：弱、強(qiáng)風(fēng)化基巖邊坡1 ∶0.75，覆蓋層邊坡1 ∶1.將趾板、墊層和過渡層設(shè)于強(qiáng)風(fēng)化巖體下部或弱風(fēng)化巖體上部，開挖深度12～22 m.堆石基礎(chǔ)只需將表層覆蓋層挖除即可.壩基防滲采用水泥帷幕灌漿，按單排布置于趾板上，最大孔深約27.83 m，兩岸帷幕由地面開孔，壩體帷幕由趾板頂面開孔.在河床部位帷幕灌漿最低高程為820.64 m，深度為15.96 m，按單排布置于壩基上游側(cè)，孔距2.0 m；左右岸帷幕均采用地面平臺(tái)灌漿的方式，孔距2.0 m，最大孔深約29.27 m.防滲帷幕線總長(zhǎng)392.39 m.為避免帷幕灌漿時(shí)破壞趾板，造成灌漿時(shí)漏漿不起壓，在趾板及趾板下游水平防滲段范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿和噴錨支護(hù)：在趾板基礎(chǔ)布置4排固結(jié)灌漿孔，排距2.0 m，間為2.0 m，孔深5.0 m，梅花形布置，總進(jìn)尺4 300 m.在趾板基礎(chǔ)布置錨桿，河床段趾板設(shè)Ф25錨桿，L=4.5 m，間排距均為2.0 m.

5 結(jié) 語

(1)根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，結(jié)合水庫(kù)蓄水庫(kù)容、樞紐布置、工程導(dǎo)流、施工技術(shù)和綜合投資等綜合因素，推薦混凝土面板堆石壩樞紐方案，溢洪道及過水隧洞布置于右岸.

(2)按SL274-2001和SL228-2013相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，確定大壩壩頂高程為903.40 m，防浪墻頂高程為904.60 m，設(shè)計(jì)采用厚0.3～0.67 m變厚的C25混凝土面板.

(3)工程具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，后期需對(duì)壩址區(qū)地質(zhì)條件和壩肩邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，以為施工提供重要的設(shè)計(jì)指導(dǎo).

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