膠凝材料壩在夾山水庫(kù)中的應(yīng)用

吳 鴻，程明偉，吳浩然

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

夾山水庫(kù)所在夾山河為長(zhǎng)江流域?yàn)踅嫌稳砗幼蟀兑患?jí)支流，發(fā)源于織金縣白泥鎮(zhèn)與六枝特區(qū)新華鎮(zhèn)交界的梁子上，河源高程1763.5 m，河流由西北向東南流，經(jīng)大沖頭、小坡腳，于白楊寨附近折向南流，在公雞嶺處接納左岸林果洞支溝，繼續(xù)向南流，于小河村下游約450.0 m處匯入魚洞泉群后又流經(jīng)大樹(shù)腳、聯(lián)合村、肖家灣村后，于大墳壩附近匯入烏江上游三岔河，夾山河地表明流區(qū)流域集水面積39.5 km2，明流區(qū)主河道河長(zhǎng)16.0 km，主河道平均坡降16.82‰；含外流域補(bǔ)給后，夾山河全流域集水面積70.7 km2，河道河長(zhǎng)18.3 km，河道平均坡降15.40‰。

夾山水庫(kù)壩址以上地表分水嶺集水面積31.3 km2，主河道河長(zhǎng)11.6 km，主河道平均比降25.10‰；含外流域補(bǔ)給的計(jì)算面積為62.5 km2，主河道河長(zhǎng)13.9 km，主河道平均比降21.10‰。

夾山水庫(kù)工程主要包括水源工程和供水灌溉工程。水源工程主要建筑物有膠凝砂礫石壩、壩頂溢洪道、壩身取水系統(tǒng)。供水灌溉工程主要建筑物有輸水管道、提水泵站、隧洞、管橋。

水庫(kù)校核洪水位1219.34 m(P=0.1%)，總庫(kù)容1430萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位為1218.12 m(P=2%)，相應(yīng)庫(kù)容1275萬(wàn)m3，正常蓄水位為1218.00 m，相應(yīng)庫(kù)容為1248萬(wàn)m3，最大壩高53.0 m，工程建成后，P=95%供水量為1126萬(wàn)m3/a；可灌溉1020.4 hm2農(nóng)田，P=80%灌溉用水量為353萬(wàn)m3/a；下放環(huán)境水量492萬(wàn)m3/a。

2 大壩選擇及設(shè)計(jì)

2.1 壩型基本分析

根據(jù)壩址區(qū)域的地形地質(zhì)、施工條件、運(yùn)行管理要求等，主要在剛性壩中選擇壩型進(jìn)行分析。

(1)拱壩適應(yīng)性分析。根據(jù)壩址地形地貌、地質(zhì)條件可知：11自然地形正常蓄水位時(shí)河谷寬320.0 m，寬高比8.27，河谷寬高比大，修建拱壩壩軸線相對(duì)較長(zhǎng)，發(fā)揮拱的作用不明顯，拱壩體型大，與其他壩型相比，無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)；22巖層平緩傾下游，壩址下伏基巖為泥巖、砂質(zhì)泥巖、黏土巖等，較軟巖與中硬巖相間分布，節(jié)理裂隙發(fā)育，對(duì)抗滑穩(wěn)定不利；拱壩主要借助拱效應(yīng)將水推力等荷載傳至兩岸壩肩基巖，若修建拱壩，兩岸壩肩基礎(chǔ)承載力不滿足要求。壩址工程地形地質(zhì)條件對(duì)拱壩的適宜性差，故不適宜修建拱壩。

(2)重力壩適應(yīng)性分析。壩址區(qū)為寬緩不對(duì)稱“V”型橫-斜向河谷，自然地形正常蓄水位時(shí)河谷寬320.0 m，寬高比8.27，在寬高比較大的情況下，拱壩壩軸線相對(duì)較長(zhǎng)。根據(jù)勘測(cè)成果，壩基巖體為薄至中厚層砂質(zhì)泥巖、砂巖偶夾泥巖，較軟巖與中硬巖相間分布，節(jié)理裂隙發(fā)育，岸坡風(fēng)化深度較大，巖層傾下游略偏左岸，傾角10°～20°。壩址條件適宜修建重力壩[1]。

綜合以上分析，選擇膠凝砂礫石壩以及重力壩中的常態(tài)混凝土壩、碾壓混凝土壩共3種剛性壩型進(jìn)行初步分析比較；根據(jù)壩址地質(zhì)條件，選擇條件較好的弱風(fēng)化下部基巖為重力壩建基面，建基面高程1171.00 m。根據(jù)水文氣象資料，擬定重力壩壩高50.00 m。根據(jù)已建工程相關(guān)資料對(duì)3種壩型主要單價(jià)進(jìn)行分析，初估主要工程量、單價(jià)及投資如表1所示。

表1 重力壩不同壩型壩體主要工程量及投資對(duì)比

從表1可知，3種壩型主要工程量相差不大，膠凝砂礫石壩壩體工程較常態(tài)混凝土壩、碾壓混凝土壩高5%，在原材料相同的情況下，膠凝砂礫石壩具有骨料粒徑要求低、水泥標(biāo)號(hào)低、水泥用量少的優(yōu)點(diǎn)，其填筑料單價(jià)僅為碾壓混凝土壩的87.4%、常態(tài)混凝土壩的71.7%，投資較碾壓混凝土壩、常態(tài)混凝土壩節(jié)省很多；故選擇膠凝砂礫石壩參與壩型比較。

2.2 膠凝材料壩設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)布置及材料分區(qū)

膠凝砂礫石壩壩頂高程1221.00 m，河床建基面位于弱風(fēng)化層的中下部，最低建基面高程1168.00 m，最大壩高53.00 m，壩頂總長(zhǎng)度316.60 m，共分10個(gè)壩段，其中左岸5個(gè)壩段，右岸布置4個(gè)壩段，河床布置溢流壩段。壩頂寬6.00 m，上游壩面在1215.00 m高程以下壩坡為1∶0.6，下游壩面在1215.00 m高程以下壩坡為1∶0.7。

壩體材料為C6膠凝砂礫石,河床溢流壩段總寬為16.00 m，共布置2孔開(kāi)敞式溢洪道表孔，堰頂高程1211.00 m，設(shè)2孔5 m×7 m弧形閘門，溢流總長(zhǎng)為89.157 m。表孔之間閘墩中墩厚2.50 m，兩邊墩厚為2.00 m。溢流堰面采用WES實(shí)用堰，其直線段坡比為1∶0.7，出口采用底流消能，消力池長(zhǎng)60.00 m，溢流壩段建基面高程為1182.50 m，消力池底板高程1175.00 m。

2.2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

(1)壩頂高程計(jì)算。壩頂高程確定考慮正常蓄水位和校核洪水位情況，取兩者中最大值作為壩頂高程[2]。計(jì)算成果如表2所示。

表2 壩頂高程計(jì)算 m

由表2可見(jiàn)校核洪水位情況為控制情況，取壩頂高程定為1221.00 m。根據(jù)壩頂交通、布置需要，非溢流壩段壩頂寬度確定6.00 m。

(2)壩基抗滑穩(wěn)定。壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算[3]公式如式(1)[1]所示：

(1)

式中：K′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，對(duì)于3級(jí)建筑物，規(guī)范要求基本組合情況K′>3.0，特殊組合情況K′>2.5；f′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；∑W為計(jì)算垂直力總和,kN；c′為壩體與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，kN/m2；A為壩體底面積,m2； ∑P為計(jì)算水平力總和,kN。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 沿建基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

從以上計(jì)算成果可知，基本組合K′>3.0，特殊組合K′>2.5，故壩體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

(3)深層抗滑穩(wěn)定。巖層為緩層，總體傾向下游，傾角為15°～24°，考慮沿層面滑出，深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算按公式(1)，成果見(jiàn)表4。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1、圖2。

表4 深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

從表4可知，基本組合K′>3.0，特殊組合K′>2.5，故壩體深層抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

(4)應(yīng)力計(jì)算。壩體應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)法計(jì)算，依照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)要求，在各種荷載組合下，壩基面垂直正應(yīng)力小于混凝土容許壓應(yīng)力和地基容許承載力；壩基面最小垂直正應(yīng)力為壓應(yīng)力，壩體最大主應(yīng)力應(yīng)小于混凝土容許壓應(yīng)力[4]。計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

圖1 非溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位：mm)

圖2 溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

表5 應(yīng)力計(jì)算成果MPa

壩體應(yīng)力允許值應(yīng)小于1.5 MPa。由表5計(jì)算成果可知混凝土應(yīng)力計(jì)算成果滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

膠凝砂礫石壩相對(duì)常規(guī)的常態(tài)混凝土壩、碾壓混凝土壩投資少，同時(shí)其基礎(chǔ)承載力要求也比常規(guī)混凝土重力壩要求低，在河床有砂礫石條件下投資將進(jìn)一步減少，具有廣泛應(yīng)用的前景。