木浪河水庫大壩擴建加高設計方案分析

許 敏

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽550002)

1 工程概況

1.1 大壩現狀

木浪河大壩現壩高71.5 m，為細石混凝土砌塊石雙曲拱壩，壩頂弧長124.5 m，頂厚3 m，底厚7.8 m，厚高比0.11，屬于薄拱壩。壩體材料采用R 150細石混凝土砌塊石，上下游壩殼采用R 150細石混凝土砌混凝土預制塊，壩身內設R 200混凝土防滲心墻。正常水位1 225 m，壩頂高程1 226.5 m，壩頂中部設表孔式溢洪道，堰頂高程1 218 m，堰頂設兩扇約5.8×7m雙扉式平板鋼閘門。右岸壩段設放空底孔，左岸壩段設塔式取水口。取水口后接鋼管及隧洞至壩后電站，電站尾水進入總干渠。［1］

1.2 地形、地質條件

兩岸地形相對較為對稱，壩址河床高程約1 163～1 165 m，兩岸在1 200 m以上坡度為 35°～45°，以下為陡壁，水邊線寬＜10 m，河谷呈典型的漏斗狀，下部為一高35～40 m、寬約12～20 m的窄狹谷。

壩址處基巖出露，河床下為T2g1-1中厚層含泥質白云巖，兩壩肩均為T2g1-2中厚層灰巖，但右壩肩在1 220 m以上為T2g1-3中厚層白云巖。巖層走向同河流斜交，傾上游偏右岸，傾角約25°。受響革大斷裂的影響，壩址處尤其是右岸的小斷層較為發育，從現有大壩往下游分別發育了 f11、f10、f14、f9、f8、f7等陡傾角斷層，傾向山內、與河流呈小交角。盡管受這些小斷層和岸坡卸荷裂隙等影響，岸坡巖體尤其右岸偏破碎，但壩址屬于硬質巖，新鮮巖塊濕抗壓強度僅為40～50 MPa。

2 加高工程擴建規模

2.1 加高前提條件［2］

1)大壩改造時不能放空水庫。

2)在不影響庫內火車站及鐵路等建筑物安全的前提下，按水庫正常蓄水位的最高控制水位1 242 m進行設計。

2.2 正常蓄水位

根據前期完成的工程規模論證結論，設計雖推薦1 235 m的正常蓄水位，但業主出于需水要求(需水量已進行了水量計算驗證)，要求按1 242 m的水庫正常蓄水位設計。因此，大壩設計方案按水庫正常蓄水位為1 242 m進行論證。

2.3 施工期水庫水位

另外，前期就壩體設計方案與業主溝通過，如采用拱壩方案，需要放空水庫至死水位以下，業主對此表示反對，提出需要保證施工期的供水要求。對此，我們在進一步與業主溝通后，根據施工期的需水要求反算得施工期最低控制水位為1 206 m。

方案設計初步考慮了水庫蓄水在1 206 m施工時，壩體的應力與穩定情況，按加高加厚為拱壩方案進行壩肩與壩基開挖后，計算其應力穩定均滿足要求，但安全系數偏小;如按重力壩要求進行開挖，其要求較拱壩要低些，因此安全系數要高些。

3 方案設計研究

1)首先按拱壩加高不加厚的方案開展研究。研究成果表明，若直接在原拱壩上加高、不加厚，其壓應力和拉應力均超過規范允許值。因而未按此方案開展進一步的設計工作。［3］

2)在分析討論后，按拱壩加高加厚的方案進行設計。

綜合本工程的地質地形條件，考慮了3種方案:

3.1 改造后仍為拱壩

根據上次方案評審存在的問題，改造為拱壩方案在體型上重新進行了設計。具體包括:

3.1.1 平面布置與體型設計

為了盡量增大加高部分壩體與等高線的交角，該部分拱圈采用拋物線，頂中心角120°，減小了壩頂弧長，改善壩肩巖體穩定，體型參數見表1。

受河谷地形地質以及業主要求不放空水庫條件的限制，拱壩加厚加高考慮從下游面貼厚的方法，增加壩體厚度，由于兩岸地形不夠，均設置重力墩及重力副壩。

拱壩加高后壩頂高程1 244 m，上游設置防浪墻抵御風浪，下游貼厚3.5～7.16 m，改造后拱冠梁厚4 m，底厚15 m，頂拱中心角120°，對稱布置。溢洪道沿拱壩中心線對稱布置，保持原設計泄洪寬度2×5.8 m，堰頂高程1 235.0 m，設平板鋼閘門。左岸推力墩頂長31 m，寬11 m，根據地形臺階型布置;右岸重力墩頂長24 m，寬11 m，按1∶0.5邊坡澆筑，根據地形分別從1 211 m高程分臺階開挖，內側設重力副壩，壩頂寬3 m，長32 m。

表1 拱壩體型參數表

加厚部分壩體采用C15混凝土砌塊石砌筑，新老壩接觸部位設錨桿，壩體進行補強灌漿。重力墩采用C10埋石混凝土澆筑，基礎進行固結灌漿，布設40鋼筋束抗滑抗剪斷錨桿。重力副壩采用C15混凝土澆筑，基礎進行固結灌漿處理。

3.1.2 泄洪布置

溢洪道泄洪能力和消能均滿足要求。

3.1.3 應力與穩定

大壩應力分析工況具體為:

1)①正常蓄水位+溫降+相應荷載。

2)校核洪水位+溫升+相應荷載。

3)施工限制水位(1 206 m)+溫降+相應荷載(該工況為原壩應力情況)。

經計算應力均滿足規范要求。相應應力計算工況的壩體穩定計算也滿足規范要求。按校核洪水位工況，計算出1 211 m以上總的水荷載，分攤到左右重力墩上計算重力墩抗滑穩定，左岸推力墩安全系數1.27，右岸1.34，滿足規范要求。

3.1.4 建基面與壩肩開挖要求

采取控制性爆破手段進行開挖，盡量不影響老壩體。

3.1.5 新老混凝土接合處理

采用壩面鑿毛，打錨桿，接縫灌漿處理。

3.1.6 工程投資

共計16 905.86萬元。

3.1.7 優、缺點

1)優點:工程量小，投資較重力壩少。

2)缺點:新老壩體結合、新老壩體相互約束帶來的溫度應力、施工期開挖對老壩體的影響等問題處理較難，風險較大。由于壩體拱端是徑向加厚，導致右壩端大部分拱圈加厚部分只座落在強風化中、下部，不滿足規范對基礎開挖的要求，故需沿原壩端下游點順河向開挖才能滿足建基面座落在弱風化中下部的要求，但是拱端就出現異型結構導致應力集中，并且削弱了壩肩抗滑巖體，危及到原壩體在施工期的安全。

3.2 改造成重力壩

將初步擬定的拱形重力壩改為折線形重力壩，這樣就不存在應力計算不清的問題，而且建筑物較好布置。具體布置為:

3.2.1 平面布置與體型設計

擬定了壩體斷面，布置了樞紐總體平面布置圖;進行了取水口與底孔的設計;上游利用原拱壩作為拱壩的一部分，加高部分垂直布置，下游壩坡采用1∶0.8的坡比，壩體分為5段呈折線形布置，頂寬5 m，最大壩高 92.2 m，壩軸線長171.74 m，壩頂高程1 244.2 m;溢洪道布置位于河床中部，孔口尺寸保持原設計泄洪寬度2×5.8 m，堰頂高程1 233 m，設平板閘門。取水口保持原結構不變，直接加高，對閘門進行改造;底孔由于閘門及埋件應力均不能滿足規范要求，埋件施工質量較差，需要對其進行改造，由于業主要求不能放空水庫，因此考慮將原設計檢修閘門改造至壩后，廢棄原檢修閘門，拆除原工作閘門，將工作閘門移至出口處。加高加厚部分壩體采用與原壩體相同的材料:C15混凝土砌毛石，新老壩體接觸部位設錨桿，壩體進行接縫灌漿處理。

3.2.2 泄洪布置

堰面曲線計算及溢洪道布置。

3.2.3 大壩穩定

大壩穩定計算滿足規范要求。

3.2.4 建基面與壩肩開挖要求

采取控制性爆破手段進行開挖，盡量不影響老壩體。

3.2.5 新老混凝土接合處理

采用壩面鑿毛，打錨桿，接縫灌漿處理。

3.2.6 工程投資

共計17 392.18萬元。

3.2.7 優、缺點

1)優點:相對拱壩適當降低了壩建基面的要求，開挖對老壩體比改造為拱壩方案影響要小，施工期繼續供水時的風險小。

2)缺點:大壩工程量較拱壩稍大，投資比拱壩多486.70萬元。

4 結論

雖然重力壩方案投資要比拱壩方案多近500萬元。但拱壩方案存在新老壩體結合、新老壩體相互約束帶來的溫度應力、施工期開挖對老壩體的影響等問題難以解決，風險較大。因此綜合以上各種因素，推薦重力壩方案。

［1］貴州省水利水電勘測設計研究院.興義市木浪河水庫擴建工程初設報告［R］.貴陽:貴州省水利水電勘測設計研究院，2011.

［2］譚界雄.水庫大壩加固技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［3］水利部水利水電規劃設計總院.SL 25—2006砌石壩設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2006.