桃源水庫碾壓混凝土重力壩優化設計

龍明星，趙志遠，李斌旭

(1.貴陽市水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550000；2.西安理工大學，陜西 西安 710048)

1 工程概況

桃源水庫位于貴州省修文縣六屯鄉境內，壩址位置位于魚梁河中、上游干流上。壩址以上集雨面積156km2多年平均徑流量8294×104m3，多年平均流量2.63m3/s。壩型為碾壓混凝土重力壩。水庫校核洪水位1274.12m，總庫容3210×104m3，正常蓄水位1273.00m，相應庫容2954×104m3，最大壩高65m。工程主要任務是工業園區供水和農業灌溉兼顧桃源河下游景區漂流用水，向修文工業園區扎佐片區年供水3760萬m3，保證下游灌溉面積1200畝。樞紐工程為Ⅲ等工程，工程規模為中型。

2 壩址區水文地質條件

壩址處河流流向N18°E，河床高程1227.5m，寬約60～75m。水庫常年蓄水，蓄水水位高程1238.40m；水庫正常蓄水位1273m高程時河谷寬175m，兩岸較為對稱，河谷呈“V”，橫向谷，寬高比3.6。左岸坡較陡，坡度約47°，基巖多裸露，高程在1290m以上坡度漸變緩覆蓋層變厚0.8～5.0m；右岸坡相對較緩，河床至1259m高程坡度46°，基巖裸露，高程1259m至正常蓄水位以上坡度34°，覆蓋層較厚，最厚達17.0m，河床砂礫石層厚0.5～5.5m。

根據地質測繪及鉆孔、平硐揭示，建壩河段地層為：寒武系婁山關(∈2-3ls)白云巖、灰質白云巖、泥質白云巖；第四系覆蓋層。壩址河段有三元斷層(F1)從右岸通過，左岸發育f1、f2小斷層，河谷基本為橫向谷。壩址位于An1背斜東翼，巖層總體傾下游偏右岸，產狀為N46°～50°W，NE∠25°～45°，結構面較發育。兩岸坡地下水位高于河水位，水力坡度為5%～10%。河段巖體透水率隨深度增加而減小，總體低于5Lu。左右岸平硐掘進均有出水現象，說明地下水存在形式主要為基巖裂隙水夾少量溶隙水和覆蓋層孔隙水。水庫可選料場為銅鼓山大麻窩料場，地形坡度為20～35，基巖裸露。其地層巖性為二迭系下統茅口組(P1m+q)的灰、深灰色中厚、厚層灰巖、白云質灰巖。料場距壩址距離僅3.3km左右，開采條件好，運輸方便。

3 碾壓混凝土重力壩結構布置

3.1 首部樞紐布置

首部樞紐布置為：碾壓混凝土重力壩+壩頂開敞式溢洪道+右岸壩身引水系統+右岸壩身放空兼沖沙底孔，如圖1所示。

(1)碾壓混凝土重力壩

壩線位于香巴房水庫庫內，河床高程1229.5m，寬約60m。根據SL319- 2005《混凝土重力壩設計規范》要求[1- 2]：當壩高在50～100m時，建基面可建在為微風化至弱風化中部基巖上。重力壩建基面置于弱風化中、下部基巖上，即河床段建基面高程1212.00m，壩軸線方位角N14°E，壩頂寬度設計為6.0m，壩頂高程1275.00m。

圖1 碾壓混凝土重力壩樞紐布置圖

(2)泄水建筑物

由于泄水量較大，泄洪方式考慮為壩頂設閘溢洪，溢流壩段布置在河床中部，溢流壩段長24m，起點樁號壩橫0+112.00，終點樁號壩橫0+136.00。溢流堰采用有閘控制的開敞式表孔自由溢流[3]，按3孔布置，每孔凈寬6m，凈高6m，弧形閘門，孔間設2.0m厚閘墩(半圓形)，溢流壩段兩邊設1.0m厚邊墩(流線型)。堰頂高程1267.00m，堰型采用WES型實用堰，堰面曲線方程y=0.1056x1.85。溢流孔頂布置6.0m寬的交通橋連接左右壩段。交通橋和非溢流壩段的壩頂兩側均設置1.2m高鋼管欄桿。壩頂溢洪道采用挑流消能[4]，反弧段半徑R=15m，反弧段圓心角78°，長度21m，挑射角為25°，挑流鼻坎高程為1235.10m，下游沖刷坑距離96m，沖刷坑深度為12m。

(3)引水建筑物

引水建筑物采用壩身布置方案，設置于溢洪道右側，樁號壩橫0+160.50m。取水建筑物設計為分層取水，底層取水口進口底板高程1240.50m，上層取水口進口高程1258.00m。兩層進口布置為喇叭形，進口段后設攔污柵閘槽，攔污柵閘槽后接分層事故檢修閘門槽段。

(4)放空兼沖沙底孔

放空兼沖沙底孔采用壩身布置方案，設置于溢洪道左側，樁號壩橫0+140.50m，根據放空要求進口底板高程擬定為1235.50m，進口為喇叭型，進口孔口尺寸為4.5m寬×3.5m高，孔身為2.5m寬×2.5m高的矩形斷面，出口采用挑流消能，出口孔口尺寸為2.5m×2.0m，挑流鼻坎高程為1234.25m，反弧段半徑R=10m，挑射角18°，為減少岸坡沖刷，泄槽靠溢洪道導墻挑流布置向河心偏移(底孔壩縱0+043.00～壩縱0+048.00段)，半徑25m，角度12°，底孔總長54m。

3.2 壩體結構布置及壩基處理

3.2.1 壩體結構布置

壩頂寬度設計為6.0m，壩頂高程1275.00m，最大壩高65m，壩頂長度216.0m。壩體斷面應滿足壩體及壩基的穩定和應力控制條件，布置上力求簡單，方便施工和滿足結構布置要求[5]。壩體設計斷面呈三角形，其頂點在最高水位處。上游壩坡選擇范圍定為1∶0～1∶0.2，下游壩坡范圍定為1∶0.6～1∶0.8，斷面優化參數還包括上下游折坡點高程。在滿足壩體強度和穩定承載能力極限狀態下以及滿足上、下游拉應力極限狀態的條件下，取單位寬對壩體斷面進行優化設計。結合壩址工程地質條件，建基面巖體為∈2-3ls，按所地質參數依規范要求進行穩定和應力計算并進行反復修正[6]，確定非溢流壩段斷面參數為：上游壩坡1∶0.2，折坡點高程1243.00，下游壩坡為1∶0.75，折坡點高程1267.00m。

表1 壩頂高程計算成果表

大壩主體采用90天齡期三級配C15混凝土，抗滲等級W4，抗凍等級F50。壩身設9條橫縫，將壩體分為10個壩段，橫縫間距15～30m寬，分縫寬度滿足規范要求。

3.2.2 壩基處理

(1)基礎開挖

大壩建基面開挖至微風化至弱風化中部基巖遇裂隙密集帶或卸荷裂隙適當嵌深，壩基平均開挖深度10m，兩岸壩肩平均開挖深度12m，強風化邊坡1∶0.5，覆蓋層開挖1∶0.75。

(2)大壩防滲帷幕灌漿、固結灌漿

根鉆孔資料分析，基礎巖體隱節理發育，巖體較破碎，為加強基巖的整體性與均一性，提高基巖的整體質量，對壩基進行固結灌漿處理，重點選在河床的節理密集帶[7]。固結灌漿孔深入10m，呈梅花形布置，孔排距為3.0m，固結灌漿總進尺8752m。

左岸庫首帷幕灌漿由露天灌漿和平硐灌漿相結合，右岸庫首帷幕灌漿采用平硐灌漿方式；左岸、右岸壩肩帷幕灌漿采用露天灌漿方式；大壩壩基帷幕灌漿采用平硐灌漿方式。其中露天灌漿，孔距2m；平硐灌漿，尺寸為3.0m×3.5m。防滲帷幕灌漿總進尺56312.60m，無效進尺8094.20m，有效進尺48218.40m。

4 碾壓混凝土重力壩結構優化設計計算

4.1 壩頂高程確定

根據調洪計算成果，大壩設計洪水位(P=2%)1273.04m，大壩校核洪水位(P=0.2%/0.1%)1274.12m，正常蓄水位1273.00m，死水位1245.50m。根據SL319- 2005[8]，壩頂高程應高于校核洪水位，壩頂上游側防浪墻頂高程應高于波浪頂高程。壩頂高程計算考慮兩種工況：①基本組合：正常蓄水位+風浪影響；②特殊組合：校核洪水位+風浪影響。計算得各工況條件下壩頂高程成果，見表1。

從表1可知，壩頂高程的控制工況為校核水位+風浪影響情況，壩頂高程為1275.00m，由于校核水位對應的壩頂高程與所選壩頂高程非常接近。桃源水庫仍考慮設置防浪墻，高1.2m，寬0.4m，兼作上游安全防護建筑物。

4.2 大壩抗滑穩定及應力分析

4.2.1 壩體應力分析

壩體材料為C9015三級配碾壓混凝土，將壩體視為一個剛體[9]。根據SL319- 2005，計算得正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位工況下的應力計算成果，見表2。

表2 大壩應力計算成果表 單位：kPa

壩體材料為C9015三級配碾壓混凝土，強度標準值為13.5MPa，混凝土的允許應力應按混凝土的極限強度除以相應的安全系數確定。壩體混凝土的抗壓安全系數，基本組合應不小于4.0，特殊組合應不小于3.5.因此C9015三級配碾壓混凝土容許下應力為3.375～3.857MPa，地基的最小容許承載力2.0MPa(泥質白云巖2.0MPa，灰質白云巖2.5MPa，角礫狀灰質白云巖3.6MPa)。由表2可知，大壩壩基應力小于壩基容許壓應力，滿足規范要求。

4.2.2 大壩抗滑穩定分析

大壩穩定計算分五種情況，一是沿壩基面的抗滑穩定計算，二是壩基深層抗滑穩定計算，三是壩體層間抗滑穩定計算，四是岸坡段的抗滑穩定計算，五是特殊壩段的穩定計算，成果見表3。從表3可知，采用抗剪斷強度公式計算[10]，碾壓混凝土大壩壩基面、壩基深層其抗滑穩定安全系數均大于規范允許各種基本荷載組合3.0和特殊組合2.5指標。碾壓混凝大壩層間抗滑穩定安全系數各種工況均遠大于規范要求值，主要原因是碾壓層(縫)面的計算參數較壩基抗滑穩定計算參數大，安全系數上有很大富裕。

表3 大壩抗滑穩定計算成果表(抗剪斷安全系數K’)

5 結論

桃源水庫壩址區河谷較狹窄，呈“V”型，兩岸較為對稱。壩址主要地層有寒武系婁山關(∈2-3ls)白云巖、灰質白云巖、泥質白云巖；第四系覆蓋層。區內斷裂無活動表現，為相對穩定的構造單元，庫盆區地形封閉性好，成庫條件較好。為確保水庫樞紐建筑物具有較高安全可靠性，在碾壓混凝土大壩整體布置和結構計算中進行了詳細論證分析，優選技術合理和經濟優越的布置方案及經濟結構斷面，為工程施工建設提供重要設計技術保障。