胡沖水庫堆石混凝土重力壩樞紐布置及結構計算

徐 顯

(貴州中水建設管理股份有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

胡沖水庫位于貴州省盤州市竹海鎮(zhèn)珠東社區(qū)岔河，距竹海鎮(zhèn)政府11.0 km，距盤州市28.7 km。水庫位于卡舍河上游河段，卡舍河屬珠江流域北盤江水系烏都河的一級支流，全流域集水面積為58.5 km2，主河道長為23.4 km，主河道平均比降為20.5‰。工程任務為集鎮(zhèn)、農村人畜飲水和灌溉，總庫容為281萬m3，為Ⅳ等小(1)型工程。水庫樞紐主要由堆石混凝土重力壩、壩頂溢洪道和壩身取水兼放空管組成。水庫正常蓄水位為1 738.00 m，相應庫容為228萬m3；死水位為1 718.00 m，死庫容為36.6萬m3，興利庫容為191.4萬m3，庫容系數(shù)為25.9%，屬完全年調節(jié)運用水庫。

2 壩址區(qū)工程地質條件

壩址區(qū)為康家溝至龍?zhí)稖虾佣?，河流從上游以東西向流入壩址區(qū)，隨即轉向S45°E再轉N70°E流向下游。壩址區(qū)左岸上游側為一凸出的山脊地形，其間發(fā)育一淺切割沖溝，切深為2～5 m，下游側受河道拐彎影響為一凹陷的負地形，左岸山頂高程為1 931.0 m，岸坡自然坡度為25°～45°；壩址河槽寬為10～80 m，高程為 1 700～1 706 m，比降約為10‰，總體較平緩，無深大跌坎發(fā)育；壩址右岸上、下游側各發(fā)育一沖溝，沖溝走向與河流方向近垂直，右岸上游側地形相對較為平整，山體頂高程為1 804.9 m，岸坡自然坡度為30°～40°，受河道拐彎及下游龍?zhí)稖嫌绊?，下游側為一順河向凸出的山脊地形，山脊頂高程? 778.4 m，岸坡自然坡度為35°～50°，局部為陡崖。正常蓄水位為1 738.00 m時，谷口寬為100～120 m，呈基本對稱“V”字型河谷。壩址區(qū)主要出露泥盆系上統(tǒng)桑郎組(D3s)及第四系(Q)地層。壩址區(qū)主要結構面為裂隙面，節(jié)理裂隙主要發(fā)育4組。壩址區(qū)地層巖體透水性弱，為相對隔水巖組，地下水類型為基巖裂水和第四系松散覆蓋層中的孔隙水。壩址地形地貌如圖1所示。

圖1 壩址地形地貌示意

3 壩型適宜性分析比選

胡沖水庫推薦下壩線位于康家溝下游側約200 m處，河谷呈基本對稱“V”字型，左岸自然坡度為25°～40°；右岸自然坡度為35°～50°，局部為陡崖。兩岸覆蓋層厚度為0～5 m，為殘坡積含碎石粉質粘土，局部可見基巖出露，基巖為D3s硅質巖、炭質硅質巖，強風化層厚度為5～25 m，弱風化層厚度為5～15 m；河床覆蓋厚為5～8 m，為砂卵石層，強風化層厚度為2～4 m，弱風化層厚度為4～6 m。

由于河床較寬緩不對稱，左緩右陡，且兩岸風化層厚度較深，不適宜修建拱壩；當?shù)赝亮蟽α枯^分散，不宜作為防滲心墻材料或均質筑壩材料，但可作為面板堆石壩的鋪蓋或圍堰土料等，河床砂卵石儲量不滿足修建砂礫石壩填筑量[1]，故不宜修建土壩和砂礫石面板壩；通過壩址巖體物理力學實驗，壩址具備建重力壩與土石壩的地質條件[2]。結合壩區(qū)附近分布有較好的灰?guī)r石料，具備建混凝土面板堆石壩的條件。因此，壩型選擇重力壩與面板堆石壩進行比選(見表1)。

從表1可知，兩種方案技術上均可行，均能較好地適應工程地形地質。重力壩方案首部樞紐及永久占地投資為8 655.56萬元，相對面板壩方案(9 124.88萬元)可節(jié)省469.32萬元，因此，按照投資節(jié)省原則，設計優(yōu)選技術可行、經濟更優(yōu)的重力壩壩型。

表1 面板堆石壩和堆石混凝土重力壩壩型對比

4 堆石混凝土重力壩樞紐布置

胡沖水庫重力壩方案首部樞紐由C15堆石混凝土重力大壩、壩頂溢洪道和壩身取水兼放空管等共同組成，平面布置示意如圖2所示。

圖2 堆石混凝土重力壩樞紐平面布置示意

4.1 擋水建筑物

大壩壩軸線長為163.0 m，軸線方位角為N10.93°W，壩頂高程為1 742.0 m。壩身材料為C15一級堆石混凝土，上游面設置C20二級配常態(tài)混凝土防滲，抗?jié)B等級為W6，防滲層在1 712.0 m高程以下厚為1.5 m，1 712.0 m高程以上厚為1.0 m，基坑墊層混凝土采用1 m厚的C15一級配自密實混凝土，兩岸坡墊層混凝土采用0.5 m厚的C15一級配自密實混凝土。大壩由溢流壩段及左、右岸非溢流壩段組成。溢流壩段長為12.0 m，壩基高程為1 692.50 m，最大壩高為45.50 m，最大底寬為41.525 m。溢流堰頂高程為1 738.0 m，溢流凈寬為10.0 m，單孔布置；非溢流壩段左岸長為105.0 m，右岸長為46.0 m，最大壩高為49.50 m，壩頂寬度為5.0 m，最大壩底寬度為44.525 m，上游面為1 704.50 m高程以上鉛直，1 704.50 m高程以下坡比按1：0.2控制，下游面在1 738.00 m高程以上鉛直，1 738.00 m高程以下坡比按1：0.75控制。

4.2 溢洪道

溢洪道由溢流控制段+壩面+壩腳消力池組成，溢洪道布置于大壩中部，樁號為壩0+046.000～壩0+058.000，溢流凈寬為10.0 m，單孔布置，邊墩厚為1.0 m。溢流堰采用WES實用堰，堰頂高程為1 738.00 m，出口采用底流消能；上游面采用橢圓曲線，a=0.3 m，b=0.17 m，下游堰面曲線y=0.229x1.85；溢流曲線后接壩面，兩側導墻高度為2.00 m，寬為1.0 m，溢流面和側墻均采用C30鋼筋混凝土澆筑，溢流面末端設置消力池。消力池底板高程為1 699.00 m，池寬為10.0 m，長為31.0 m，邊墻高程為1 706.00 m；消力池側墻頂寬為1.0 m，內側直墻，外側坡度為1：0.3，底寬為3.40 m，底板厚為1.0 m，基礎高程為1 698 m，底板和側墻均采用C30鋼筋混凝土；在消力池底板設置排水孔，孔距、排距均為3 m。消力池底板與基礎采用Φ25錨桿連接，錨桿長為4.5 m，梅花型布置，間距和排距均為2.0 m。消力池后設大塊石海墁，長為10.0 m，厚為1.0 m。

4.3 取水兼放空管

人畜供水及灌溉供水取水管埋設于大壩內，布置在左岸非溢流壩段壩樁號0+061.800 m處，壩前設置取水口，兼有放空的功能，取水口進口底板高程為1 714.50 m，高于壩前淤沙高程為1 712.51 m。進口設置3.3 m×2.9 m(寬×高)活動式攔污柵，攔污柵后設置1.5 m×1.5 m的檢修閘門。閘門后設置漸變段，在漸變段上設置通氣孔，通氣孔直徑為400 mm圓形孔。取水管管徑為1.0 m鋼管，管周邊采用C20的外包混凝土，外包厚度為1.0 m；取水管長度為36.500 m，取水管末端設置閘閥室，閘閥室內分出直徑為0.5 m、0.6 m輸水管、直徑為1.0 m放空管、直徑為0.1 m的生態(tài)放水管。放空管和生態(tài)放水管接入溢洪道的消力池內，放空管放空時需要將攔污柵提起。取水口采用C25鋼筋混凝土井筒結構，井筒寬為5.3 m，長為6.9 m，頂部高程為1 742.0 m，與壩頂同高，啟閉機室為C25鋼筋混凝土排架結構。

5 大壩結構設計計算

5.1 壩頂高程計算

調洪計算成果可知，水庫校核洪水位為1 740.93 m，設計洪水位為1 740.27 m，正常蓄水位為1 738.00 m；風區(qū)長度D=1 000 m，正常蓄水位時風速Vs=1.5Vm=14.55 m/s，校核洪水位時風速Vm=9.7 m/s。按《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL 319—2018)，壩頂高程等于水庫靜水位加相應壩頂超高[4]，按兩種工況計算取較大值，即：① 正常洪水位+正常運用情況的安全超高；② 校核洪水位+非常運用情況的安全超高。壩頂高程計算成果見表2。

表2 壩頂高程計算成果 m

從表2計算成果可知，由校核洪水位控制壩頂高程，確定壩頂高程為1 742.00 m。

5.2 大壩穩(wěn)定及應力分析

1) 壩體抗滑穩(wěn)定分析

壩線區(qū)巖層產狀167°∠18°，主要發(fā)育4組裂隙：① N40°-50°W/NE∠70°-90°；② N10°-30°E/NW∠60°-80°；③ N40°-60°E/NW∠70°-85°；④ N60°-75°W/NE∠50°-70°。4組裂隙均為陡傾角裂隙，對壩體深層抗滑穩(wěn)定影響較小；壩線處巖層傾向右岸，傾角為18°左右，巖層走向與大壩軸線近垂直，壩基無緩傾上游或下游的結構面存在；同時，下游未見跌坎或深潭等臨空面，壩基產生深層滑動的可能性較小。因此，大壩抗滑穩(wěn)定計算只考慮沿建基面滑動。結合胡沖水庫實際，設計選定2種基本荷載組合和1種特殊荷載組合進行分析(見表3)。

表3 壩體應力分析荷載組合 m

混凝土重力壩壩體穩(wěn)定采用剛體極限平衡法分析[5-6]，壩基應力采用材料力學法分析，按照《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL 319—2018)要求公式計算，分析采用PC1500軟件。壩體抗滑穩(wěn)定計算成果見表4。

表4 壩體抗滑穩(wěn)定計算成果

從表4可知，壩段抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)基本組合為K=3.078≥3.0，特殊組合為K=3.006≥2.5，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，壩體抗滑穩(wěn)定性較好。

2) 壩體應力分析

根據(jù)胡沖水庫工程特性，C15堆石混凝土的極限強度為15 MPa，按照《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL 319—2018)6.3.10規(guī)定，混凝土抗壓安全系數(shù)，基本組合為4.0，特殊組合為3.5，則混凝土容許壓應力基本組合為3.75 MPa，特殊組合為4.29 MPa；地基容許承載力為2.55～3.63 MPa，取值為3 MPa。壩體應力采用材料力學法進行分析，計算得溢流壩段和非溢流壩段的上、下游面垂直正應力成果(如表5所示)。

表5 壩體應力計算成果 MPa

按照《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL 319—2018)6.3.3及6.3.4規(guī)定，重力壩應力不應大于壩體混凝土容許壓應力，并不應大于基巖容許承載力。從表5應力計算成果可知，壩體應力計算成果和地基承載力均滿足規(guī)范要求，且未出現(xiàn)拉應力，大壩設計結構應力分布合理。

6 結語

胡沖水庫壩址兩岸對稱，山體渾厚，河谷為基本對稱“V”型。出露巖性為D3s硅質巖與炭質硅質巖不等厚互層，無構造通過，主要發(fā)育4組陡傾裂隙，且壩區(qū)附近分布有較好的灰?guī)r石料具備重力壩和面板壩建壩條件。為確保樞紐布置設計方案具有較高地形地質適宜性和技術經濟性，對大壩壩型、首部樞紐布置和壩體結構體型進行了論證分析和設計計算。

1) 經壩型比選，重力壩和面板壩壩型均具有較好地質適宜性，且壩址區(qū)地形有利于兩種壩型的首部樞紐布置及施工場地布置。重力壩壩型首部樞紐及大壩永久占地投資較面板壩壩型低469.32萬元。按照投資節(jié)省原則，設計優(yōu)選技術可行、經濟更優(yōu)的重力壩壩型。

2) 結合調洪特征水位，計算確定壩頂高程為 1 742.00 m。論證結果表明，不同荷載組合工況下，壩體抗滑穩(wěn)定及應力分布均滿足規(guī)范要求，結構體型設計合理，安全穩(wěn)定性高。