實例探析水庫大壩設(shè)計

侯 驥

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽550000)

1 工程概況

盤縣西得泥水庫工程位于貴州省六盤水市盤縣西部灑基鎮(zhèn)木倉河下游河段上，屬于珠江流域北盤江水系。本工程正常蓄水位1 748 m，正常蓄水位以下庫容為503 萬m3，設(shè)計洪水位為1 750.62 m，相應(yīng)庫容為570 萬m3，校核洪水位為1 751.85 m，總庫容為610 萬m3。興利庫容322 萬m3，工業(yè)P =97%年供水量440 萬m3，鄉(xiāng)鎮(zhèn)P =95%年供水量98 萬m3。上下壩址大壩面板堆石壩方案永久性水工建筑物級別為4 級，其大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇。

2 工程選址

本工程規(guī)劃河段在磨嘎橋附近，即在匯口以上2.2 ～3.5 km范圍，該河段河道坡降較陡，河谷較深，地形相對較窄，工程地質(zhì)條件相對較好，施工條件較好，壩高合適，淹沒相對較小，成庫后古滑坡體位于庫內(nèi)，經(jīng)計算古滑坡體穩(wěn)定，不會形成較大的滑坡帶，滿足成庫條件，因此本次設(shè)計在磨嘎橋河段擬定上、下兩個壩址進(jìn)行比較［1］。

3 大壩設(shè)計要點

3.1 壩頂高程的確定

3.1.1 壩頂高程的計算參數(shù)

校核洪水位(P = 0.33% )為1 336.53 m，設(shè)計洪水位(P =0.33% )為1 335.68 m，洪水期多年的平均最大風(fēng)速為V =10 m/s，水庫吹程為D =0.40 km。

3.1.2 壩頂高程的計算

壩頂高程的計算公式為:

式中:y 為壩頂位于靜水位上的超高，m;R 為風(fēng)浪沿著壩坡的爬高，m;e 為最大風(fēng)壅水面的高度，m;A 為安全加高，m，在正常情況下是0.50 m，非常情況下是0.30 m。風(fēng)浪爬高的計算公式為:

風(fēng)壅水面高度的計算公式為:

式中:R 為平均波浪爬高，m;K△為護(hù)坡粗糙系數(shù)K△=0.90;KW為水深校正系數(shù)KW=1.05;hm為平均波高，m，由式ghm/W2= 0.0076W－1/12(gD/W2)1/3計 算;Lm為 平 均 波 長，m，由 式 ghm/W2=0.311W－1/2.15(gD/W2)1/3.75計算;m 為單坡的坡度系數(shù);W 為計算風(fēng)速，m/s;正常情況時，W =10 m/s ×150，非常情況時，W =10 m/s;D 為有效吹程，m，D=1000;g 為重力加速度，m/s2，g =9.18;K 為綜合摩阻系數(shù)，K =3.60 ×10－6;β 為計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，°;Hm為水域平均水深，m。

3.1.3 壩頂高程的計算

本工程中:設(shè)計洪水hm=0.42 m，Lm=4.87 m;校核洪水hm=0.25 m，Lm=3.25 m;設(shè)計洪水R =0.70 m，e =0.000796 m;校核洪水R =0.44 m，e =0.000354 m。通過上述公式的計算最終得出以下結(jié)果:

設(shè)計洪水y1=1.20 m;校核洪水y2=0.74 m。

由前調(diào)洪計算:設(shè)計洪水位高程是1 335.68 m;校核洪水位高程為1 336.53 m。則:設(shè)計洪水位+0.5 =1 336.18 m;設(shè)計洪水位+ y1=1 336.8 m，校核洪水位+ y2=1 337.27 m。

根據(jù)上述計算，最終確定壩頂?shù)母叱虨? 337.90 m，而防浪墻頂?shù)母叱虨? 338.30 m。

3.2 大壩壩坡的穩(wěn)定分析

3.2.1 滲流計算

在該工程中，其水庫大壩屬于是風(fēng)化料土石壩，最高的壩高為28.00 m，壩體防滲使用的土工膜技術(shù)，該大壩的壩基基巖是二迭系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P21)所以其進(jìn)行滲流計算時主要使用的是水力學(xué)方法。

需要注意的是，在對滲流進(jìn)行計算時，應(yīng)考慮以下幾個參數(shù):正常蓄水位、設(shè)計洪水位以及校核洪水位等。最后，按照相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，可以得出該水庫大壩壩體的滲透系數(shù)為2.80 × 10－4cm/sec，而壩坡的滲流及其穩(wěn)定性都按照均質(zhì)壩進(jìn)行具體的計算，具體如下:

當(dāng)水位處于水位為正常高:L =58.55 m、△L=9.81 m，浸潤線的計算公式原點=116.61 m，浸潤線的起點X 坐標(biāo)=58.06 m，浸潤線的終點X 坐標(biāo)=119.49 m，單位寬度的滲流量q =2.69 m3/d·m;當(dāng)水位處于校核洪水位:L = 51.096 m、△L =11．066 m，則浸潤線的計算公式原點=116.61 m，浸潤線的起點X 坐標(biāo)=65.51 m，浸潤線的終點X 坐標(biāo)=119.84 m，h0=6.71 m，單位寬度的滲流量q =3.74 m3/d·m，浸潤線的坐標(biāo)(將上游的壩腳作為坐標(biāo)的原點)如下表1 所示。

表1 壩體浸潤線的坐標(biāo)表

經(jīng)過分析計算可得出，浸潤線處于壩體之中，并未超過壩面，滿足了相應(yīng)的規(guī)范設(shè)計要求。

3.2.2 壩坡的穩(wěn)定分析

1)壩坡的穩(wěn)定計算內(nèi)容在對壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算時，必須要嚴(yán)格遵守相應(yīng)的設(shè)計要求，精確地計算出以下兩個數(shù)據(jù):①穩(wěn)定滲流期時，上、下游壩坡的穩(wěn)定性;②水庫大壩水位降低時，上游壩坡最小安全系數(shù)。

2)壩坡的穩(wěn)定計算

在進(jìn)行壩坡的穩(wěn)定計算時，主要采取了以下參數(shù):最大壩高(28.00 m)、正常蓄水位(1 333.50 m)、設(shè)計洪水位 (1 335.68 m )、校核洪水位(1 336.53 m)、壩頂?shù)母叱?1 336.90 m)。選取土地的參數(shù)時，主要是把試驗材料與以往工程材料進(jìn)行綜合考慮，從而實現(xiàn)較為精確的取值:天然容重(1.90 g/cm)、飽和容重(2.10 g/cm3)、內(nèi)摩擦角(15.004)、黏聚力(400 kPa)。

壩坡的穩(wěn)定計算公式為:

式中:W 為土條的重量;u 為作用在土條底面的孔隙壓力;V 為垂直的地震慣性力;Q 為水平的地震慣性力;a 為條塊重力線和通過此條塊底面中點的半徑間夾角;b 為土條的寬度;c'φ' 為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo);Mc 為水平地震的慣性力對圓心所產(chǎn)生的力矩;R 為圓弧的半徑。經(jīng)過上文中的計算，得到了水庫上游壩坡分別在正常運行和非常運行的條件下的最小安全系數(shù)，具體如表2 所示:

表2 水庫上游壩坡最小安全系數(shù)表

通過上表可以看出，在正常運行時，水庫上游壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)較小，該值即使是上游水位處于對上游壩體或是壩殼最為不利的高程時，也能夠達(dá)到安全性的要求，使得大壩運行穩(wěn)定。

3.3 大壩的沉降設(shè)計

因為本工程中沒有相應(yīng)的沉降試驗資料可以進(jìn)行參考，所以在進(jìn)行沉降計算時，缺少相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)，對此可在壩頂處預(yù)留下一定的沉降超高。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，本工程中的沉降超高取值為壩高的1%，即是300 mm。

［1］李旭光，王本德. 基于洪水預(yù)報調(diào)度方式的汛限水位設(shè)計方法探討［J］. 水力發(fā)電學(xué)報，2009，28(03):27－31.