觀音巖水庫工程特點及關鍵技術研究綜述

錢雪晉，周 華，王嘉斌

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002)

1 工程概況

觀音巖水庫位于水城縣阿戛鄉(xiāng)仲河村，距水城縣58.5km，距阿戛鄉(xiāng)約16.5km。水庫總庫容2167萬m3，正常蓄水位1430m，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。工程主要任務為工業(yè)供水、灌溉及人畜飲水，兼顧發(fā)電。

水源樞紐工程主要建筑物由碾壓混凝土拱壩、壩頂開敞式溢洪道、右岸壩身放空底孔、右岸供水發(fā)電取水口、1#及2#崩塌體處理組成。碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩壩頂高程1434m，最大壩高107m；溢洪道沿拱壩中心線對稱布置，設3孔5m×5m弧形閘門，最大泄流量586m3/s；放空底孔布置在溢流壩段的右側，最大運行水頭55m；取水口緊鄰底孔右側布置，分別設置攔污柵、分層取水隔水閘門及工作閘門，隔水閘門共4層；1#崩塌堆積體位于左壩肩下游，清除后確保大壩泄洪及廠房安全；2#崩塌堆積體位于右岸上游，采取削坡減載、棄渣回填壓腳及修建重力式擋土墻的綜合優(yōu)化處理措施。

2 復雜地形地質條件下，巧妙解決狹窄河谷區(qū)高壩大庫的樞紐布置

大壩河床寬度僅6-12m，河谷寬高比1.82。左岸下游分布1#崩塌堆積體，右岸上游分布2#崩塌堆積體，且兩者相距較近。壩址從上游至下游依次出露T1yn2-2泥巖厚度25m、T1yn2-1泥灰?guī)r厚度5m； T1yn1-3灰?guī)r厚度84m、T1yn1-2泥灰?guī)r厚度58m、T1yn1-1泥灰?guī)r厚度10m； T1f2-2粉砂質泥巖厚度144m。其中僅T1yn1-3灰?guī)r滿足拱壩持力層的要求。為此，通過一系列勘測研究，精準定位各地層的分界及1#、2#崩塌堆積體的邊界線。在有限T1yn1-3灰?guī)r范圍內布置拱壩等樞紐建筑物，使其盡可能遠離左岸下游的1#崩塌堆積體，又同時確保樞紐建筑物的開挖不影響右岸上游的2#崩塌堆積體，最終，選定拱壩壩軸線距下游1#崩塌堆積體50m，距上游2#崩塌堆積體20m，放空底孔、取水口等樞紐建筑物集中布置于右岸。

3 拱壩優(yōu)化設計

3.1 采用非全徑向面優(yōu)化設計

大壩采用C9020碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，最大壩高107m，拱冠梁處頂厚6.0m，底厚24.0m，厚高比0.229，壩頂中心弧長247.988m。施工圖設計通過優(yōu)化拱端嵌深、中心角等幾何參數，進行拱壩體型的優(yōu)化設計，同時拱壩拱端采用非全徑向面設計，節(jié)省壩肩開挖量及壩體混凝土工程量約2.4萬m3。

樞紐布置圖，見圖1；拱端尺寸表，見表1；拱端示意圖，見圖2。

圖1 樞紐布置圖

表1 拱端尺寸表

3.2 復雜地質條件下高拱壩應力、變形分析

工程具有壩體高度高，兩岸地形坡度陡峻，壩址地層巖性復雜，壩肩T1yn1-3灰?guī)r內分布兩條較為發(fā)育的泥灰?guī)r夾層，大壩下游分布T1yn1-2、T1yn1-1、T1f2-2軟巖等特點。為此，采用三維有限元分析方法，對拱壩的應力、穩(wěn)定、變形進行了深入研究。

正常蓄水位+設計溫降計算工況下，考慮兩壩肩下游泥灰?guī)r夾層的影響后，受拉區(qū)主要分布在左右兩壩肩及壩踵區(qū)域，上下游壩面第一、第三主應力大部分表現為受壓；最大主拉應力發(fā)生在1329m上游面拱底中部區(qū)域，等效應力0.823MPa；最大主壓應力發(fā)生在1329m高程下游面拱底中部區(qū)域，等效應力3.913MPa。考慮兩壩肩下游泥灰?guī)r夾層的影響與不考慮相比，最大拉應力增加0.02MPa，增幅0.427%，最大壓應力無變化，最大位移增加0.1mm，增幅0.323%。

校核洪水位+設計溫升計算工況下，考慮兩壩肩下游泥灰?guī)r夾層的影響后，受拉區(qū)主要分布在左右兩壩肩及壩踵區(qū)域，上下游壩面第一、第三主應力大部分表現為受壓；最大主拉應力發(fā)生在1329m上游面拱底中部區(qū)域，等效應力1.139MPa；最大主壓應力發(fā)生在1340m高程下游面左拱端區(qū)域，等效應力4.868MPa?？紤]兩壩肩下游夾層的影響與不考慮相比，最大拉應力增加0.02MPa，增幅0.465%，最大壓應力增加0.01MPa，增幅0.122%，最大位移增加0.05mm，增幅0.242%。

綜上，經有限元計算，與拱壩下游為完整基巖相比，下游兩岸有夾層時，夾層對拱壩最大拉應力、最大壓應力、拱壩位移及拱壩各點應力、變形分布規(guī)律等影響很小。因此，大壩下游兩岸夾層對壩體的應力及穩(wěn)定影響不大，基本可以忽略。

3.3 高拱壩抗震設計

地震基本烈度Ⅶ度，采用三維有限元分析方法，應用反應譜動力分析方法，并采用時程動力法，分析地震作用下拱壩的地震動力響應規(guī)律及抗震安全性，為拱壩的優(yōu)化設計工作提供科學依據。

動靜應力疊加后，壩體第一主應力在中下部高程兩岸拱端上游側和拱冠梁壩踵側處均較大，在1360m高程右拱端上游側等效處理后拉應力水平在1.5 MPa以內；在壩踵處等效處理后在2.0 MPa以內；在下游面拱冠梁底部區(qū)域拉應力值也較大，等效處理后拉應力水平在1.35 MPa以內。壩體第三主應力在拱冠梁頂部的上下游面都較大，在上游面達到最大，壓應力水平在5.6 MPa以內；下游壩面的中下部高程兩岸拱端處以及壩趾處壓應力值也較大，其中在1360m高程右拱端極大，等效處理后在4.6MPa以內。因此，拱壩在設計地震工況下的壩體應力滿足規(guī)范控制要求。

3.4 拱壩建基面優(yōu)化

拱壩開挖至建基面高程附近時，根據開挖揭露的地質情況，結合基坑聲波測試判斷承載力滿足要求，可抬高大壩河床基礎高程0.5-2m。最大壩高由109m調整為107m，優(yōu)化后節(jié)省拱壩河床段基礎石方開挖及墊層混凝土工程量約0.4萬m3及15d工期，效益顯著。

3.5 合理的拱壩分縫設計

分析拱壩施工期的溫度應力，對拱壩的分縫方案進行專門研究。采用三維有限元分析方法，仿真分析拱壩在施工期、蓄水期和正常運行期的溫度場和溫度應力場的動態(tài)變化規(guī)律，為拱壩的分縫方案提供科學依據，成功的提出了指導施工的分縫設計方案、溫度控制標準和合理的溫控防裂措施。

大壩壩身設共設置 4條誘導縫，分別在壩0+030.00、壩0+095.985、壩0+180.985、壩0+224.988處，將壩體分為5個壩段，壩段長度23-85m 不等。經觀測，大壩裂縫總體可控，壩體質量良好。

3.6 峽谷泄洪建筑物布置及消能研究

峽谷區(qū)高壩大庫泄洪消能本就具有較高的復雜性和難度。本工程泄洪水頭高、河谷狹窄而導致歸槽及消能問題復雜，下游消能防沖和水流霧化對1#崩塌堆積體及電站廠房的影響等問題突出。為此，經溢洪道出口挑流鼻坎經多次水力模型試驗研究，采取梯形差動式齒坎的設置，三個表孔挑流鼻坎的型式各不相同，最終使得溢流道出坎水流縱向拉開，增大了水舌的入水單寬面積，減小了入水水舌的單寬流量，從而降低了下游河床沖刷坑深度和兩岸岸坡下切深度。泄洪建筑物經歷了3個水文年的多次泄洪考驗，運行性態(tài)良好。

4 采用“石料開釆-骨科加工-混凝土拌和-真空溜筒入倉”垂直施工布置系統，解決深峽谷區(qū)施工布置難題

壩址河谷狹窄、工期短、混凝土高峰澆筑強度大，施工布置難度較大，經過大量的方案比選及現場實地踏勘，調整料場至右壩肩，不僅有效的降低了料場開采高程，還縮短運距。同時由于2#崩塌體位于料場下方，將砂石料加工系統及混凝土拌合站布置在采取工程措施處理后的2#崩塌體上，更是將壩區(qū)有限的空間利用到極致，壩體混凝土澆筑施工也因此選用右壩肩真空溜筒入倉方案，最大溜槽高差80多米。

從高到低形成“石料開采-骨料加工-混凝土拌和-真空溜筒入倉”垂直施工布置系統，解決了深峽谷區(qū)施工布置難題。

5 合理優(yōu)化處理壩區(qū)崩塌堆積體

2#崩塌堆積體位于大壩右岸上游，距拱壩壩軸線約20m，規(guī)模約28.76萬m3，堆積高度達148m，堆積體下部距取水口、底孔取水塔約10m。對2#崩塌堆積體進行深入研究，經過與施工方反復溝通，根據廠家提供的設備尺寸，在堆積體內預留出滿足施工設備的平臺尺寸，對2#崩塌堆積體采取坡頂削坡減載并及時支護，坡腳棄渣回填壓腳并碾壓密實、修建重力式擋土墻的綜合優(yōu)化處理措施。水庫蓄水后，2#崩塌堆積至今穩(wěn)定，優(yōu)化處理措施取得成效。

6 體現節(jié)能節(jié)地和生態(tài)環(huán)保的先進理念

取水口承擔供水、灌溉取水，發(fā)電引水，下放河道生態(tài)環(huán)境用水的任務。設計突破傳統理念，從農作物良性生長及生態(tài)環(huán)境保護考慮，采用分4層的分層取水方式，確保在不同水位工況下，均可靈活取用表面常溫水，滿足農業(yè)灌溉及河道魚類等動植物良性生境需求，充分體現生態(tài)優(yōu)先理念。

7 結 語

觀音巖水庫最大壩高107m，是貴州省已建成的百米級碾壓混凝土雙曲拱壩，工程已開始發(fā)揮綜合效益。設計在工程施工中起到了良好的指導和控制作用，工程建成運行情況顯示，各項技術和經濟指標滿足要求。工程成功建設也為后續(xù)峽谷山區(qū)大中型水庫建設起到了積極示范和借鑒作用。