姜家溝水庫除險加固工程土壩壩體結構設計

范忠敏，鄭英俊，宋國濤

(1.尚志市水務局，黑龍江尚志150601;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 工程概述

姜家溝水庫位于黑龍江省尚志市老街基鄉姜家溝村境內，行政上隸屬尚志市水務局直接管轄。壩址地理坐標為E128°00'，N44°58'。水庫壩址以上集水面積為17.6 km2，多年平均徑流量493萬m3，水庫原設計總庫容為158萬m3，是以灌溉為主，兼顧防洪、養魚等綜合利用的小(1)型水利樞紐。

2 土壩工程布置

本次設計土壩壩長為800 m，設計壩頂高程為132.70 m，平均壩高5 m，壩頂寬5 m。壩頂路面采用砂石路面，路面厚度20 cm，路頂兩側路緣石，寬15 cm，高40 cm。土壩加高培厚部分的上游坡比采用1∶3，下游坡比采用1∶2.5。土壩壩腳采用梯形混凝土固腳，頂寬40 cm，底寬80 cm，高80 cm。在高程127.20 m以下采用拋石型式，拋石頂寬3 m，坡比為1∶1.5。上游護坡型式為現澆混凝土板護砌，混凝土板厚20 cm，下設0.1 m礫石和無紡布一層，下游采用草皮護坡，設貼坡排水體及排水溝。

3 壩體結構設計

依據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274－2001)中的規定，確定壩體結構。

3.1 壩頂加高方案比較

姜家溝水庫原設計壩頂高程為132.60 m，本次設計壩頂高程仍為132.60 m，現有壩頂高程131.7～133.4 m，現狀壩頂高程低于本次設計壩頂約1 m。現有壩體加高約1 m即滿足設計要求。因此不進行防浪墻方案比較。

3.2 壩長、壩頂寬度

本次設計壩長為800 m，平均壩高5 m。

3.3 壩頂路面設計

本工程壩頂路面采用砂石路面，路面厚度20 cm。

3.4 上、下游護坡設計

上游護坡型式為現澆混凝土板護砌，混凝土板厚20 cm，下設0.1 m礫石和無紡布一層;下游采用草皮護坡。

3.5 土料設計

依據SL189－96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》中的規定，黏性土料壓實干密度應按標準擊實儀試驗的最大干密度乘以壓實度確定，壓實度可取0.96～0.98。計算公式為:

式中:γd為設計干密度;m為設計壓實度，本次取m=0.97;γmax為最大干密度。

因此，本工程土壩加高培厚壩坡、壩頂及溢洪道拆除后筑壩土料設計控制指標為土壩壩體設計控制干密度γd為1.514 g/cm3。

3.6 上游護坡設計

經過勘察表明現狀土壩迎水坡比1∶2.05～1∶6.84，背水坡比1∶3.87～1∶4.50。土壩上下游均無護坡，對壩殼土的保護是薄弱環節，局部壩段上游邊坡已產生塌陷或下沉等現象，存在壩坡穩定問題。

由于土壩上游無護坡，根據壩的等級、運用條件和當地材料情況，本次設計選用3種護砌方案進行比較，即:干砌石護砌;現澆混凝土板護砌;預制混凝土板護砌。干砌石護坡要求石料比較堅硬并耐風化，實踐證明在東北地區由于凍脹、冰推力和風浪的作用，干砌石護坡常遭到嚴重破壞。據對黑龍江省9座水庫護坡運行狀況做的調查，4座干砌石、干砌條石護坡在冰蓋層以上2 m往下部分發生嚴重破壞。混凝土板護坡在筑壩地區缺乏石料時考慮采用此種型式，混凝土板護坡的抗凍脹、抗冰推力和抗風浪的效果最好。

混凝土板護坡分為現澆板和預制板，現澆板整體性好，板塊大，板厚較薄，按計算及規范規定≥20 cm。預制板板塊小，板厚≥30 cm，運輸及施工鋪裝困難，容易磕碰，外觀不整齊。通過以上分析及造價比較證明按計算選用混凝土板護坡，現澆板和預制板價位相當，當按規范要求選用時，現澆板比預制板省43.84萬元，比干砌石護坡省23.45萬元，因此本次推薦現澆混凝土板護坡方案，混凝土強度等級為C20，抗凍標號F200，混凝土板厚20 cm，平面尺寸為3.0 m×3.0 m，下設0.1 m砂卵石和無紡布一層。

3.7 拋石

壩迎水坡坡腳高程為125 m，死水位高程126.20 m，固腳在水下1.2 m處，施工難度較大，因此高程127.20 m以下采用拋石型式，拋石頂寬度3 m，坡比為1∶1.5。

3.8 下游護坡設計

現狀土壩下游坡護坡型式采用草皮護坡。土壩下游坡采用簡化畢肖普法復核其壩坡抗滑穩定最小安全系數，邊坡設計合理，滿足穩定要求。

3.9 壩后排水設計

原設計土壩下游未建排水體，壩體浸潤線較高，高水位運行時，壩后出現滲漏。本次除險設計土壩下游設貼坡排水體，排水體頂高程為130.30 m，頂寬1.5 m，坡比為1∶2.5，型式采用干砌石厚30 cm，下設20 cm碎石，無紡布一層。為排除兩岸雨水和壩后坡坡水，坡腳設排水溝，排水溝底寬0.50 m，深為0.5 m，采用干砌石厚30 cm，下設20 cm碎石，無紡布一層，最后排入下游低洼處河道。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.尚志市姜家溝水庫除險加固工程初步設計報告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2011.