夾巖水庫混凝土面板堆石壩結構計算分析

(貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550081)

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程為貴州水利建設“一號工程”，是一座以城鄉供水和灌溉為主的大型綜合性水利樞紐工程，由水源工程、畢大供水工程和灌區骨干輸水工程等組成。其中:夾巖水庫大壩為混凝土面板堆石壩，校核洪水位1326.01m，正常蓄水位1323.00m，總庫容13.23億m3，為Ⅰ等大(1)型工程。夾巖水庫屬峽谷型水庫，河谷基本呈對稱“V”字形，左、右岸均較陡，河谷形態完整性較好。

夾巖水庫壩址位于潘家巖腳沖溝與陳家大溝之間，左岸有潘家巖腳大沖溝，右岸發育有陳家大溝。壩基及壩肩持力巖體為飛仙關組(T1f2)中至厚層夾薄層鈣質、泥質細砂巖和泥質粉砂巖，巖性軟硬相間，壩基巖體承載力和變形模量低，巖體較破碎，完整性差，裂隙相對發育，存在巖溶滲漏、危巖體和邊坡開挖穩定性差、邊坡局部不利楔狀結構面滑塌等問題。為確保大壩樞紐布置方案與工程地形地質條件、施工技術等相匹配，結合地質勘探揭露成果，從壩型比選、樞紐布置和大壩結構等方面進行詳細論證分析，確保設計方案具有較高的技術可行性、施工便捷性和投資經濟性[1-2]。

2 工程地質條件及壩型比選

2.1 工程地質條件

夾巖水庫壩軸線位于潘家巖腳以下約800m處，河谷為典型橫向“V”形谷，河床高程1205.00～1209.00m，河床寬60～75m，1323.00m正常高水位河谷寬337m，寬高比2.94。下伏地層巖性主要為飛仙關組第二段(T1f2)中至厚層夾薄層泥質細砂巖，夾綠灰色泥質粉砂巖及泥頁巖，少量灰巖和泥灰巖，總體屬中硬巖夾較軟巖類。壩址處于NE向與EW向構造過渡地帶，為單斜構造，巖層傾向上游略偏左岸，巖層產狀為N30°～40°E/NW∠20°～35°，巖層緩傾上游，為橫向谷。河床砂礫石層厚7.40～18.30m，兩岸基巖裸露，壩基及壩肩持力層巖性為T1f2-3薄至中厚層泥質粉砂巖、細砂巖夾薄層砂質泥巖，屬中硬巖類夾較軟巖類，強風化厚度河床基巖面以下5～9m，兩岸強風化厚度基巖面以下8～13m，巖性軟硬相間，壩基巖體承載力低，巖體風化深度較深，軟弱夾層發育。

2.2 壩型比選

從壩軸線地形地質條件看，既可建剛性壩，也可考慮建當地材料柔性壩。由于河谷較寬，壩址巖層緩傾上游，壩基及壩肩持力層巖屬中硬巖類夾較軟巖類，巖體風化層較厚，軟弱夾層發育，巖性軟硬相間，壩基巖體承載力低，建拱壩存在壩肩抗滑穩定風險，壩基、壩肩處理工程量較大，不宜采用拱壩壩型。因此，剛性壩只能采用混凝土重力壩型，但由于壩基壩肩均存在斷層發育帶、裂隙密集帶、軟弱夾層等地質缺陷，需進行嵌挖回填及固結灌漿處理，壩基壩肩巖體承載力較低，修建重力壩工程處理措施較為復雜，工程風險較大，故不宜采用混凝土重力壩壩型。雖然工程區經濟范圍內土料缺乏，但石料豐富，結合當地筑壩材料宜采用堆石壩壩型，設計優選瀝青混凝土心墻堆石壩和鋼筋混凝土面板堆石壩兩種壩型進行比選。鑒于大壩高達154m，目前國內已建100m以上瀝青混凝土高壩僅有1座(壩高在120m以內)，高瀝青混凝土心墻壩施工技術還需要不斷實踐和探索[3]。從技術角度出發，宜選施工工藝簡單，施工水平較成熟的面板堆石壩壩型。同時，瀝青混凝土價格一般遠高于混凝土，投資比較表明:混凝土面板壩樞紐建筑物建筑工程投資150270萬元比瀝青混凝土心墻壩樞紐建筑物建筑工程投資145532萬元要省4738萬元，故選擇混凝土面板堆石壩壩型。

3 混凝土面板堆石壩樞紐布置設計

3.1 擋水建筑物

大壩壩型為混凝土面板堆石壩，防浪墻頂高程1329.20m，壩頂高程1328.00m，最大壩高154m，壩頂長428.93m。上游壩坡1∶1.4。下游壩面布置有4層10m寬壩后公路，局部壩坡1∶1.35，平均壩坡1∶1.67。上游面用鋼筋混凝土面板防滲，趾板置于弱風化層中上部，厚度1/3壩高以下、1/3～2/3壩高、2/3壩高以上分別為1m、0.80m和0.60m，寬度6.50m。

3.2 泄水建筑物

溢洪道布置在大壩左岸，水平總長399.13m，軸線方位角為NW24.869°。引渠段長90.48m，底板高程1307.00m，采用0.50m厚的C15混凝土護底，靠山側采用1m厚的C20混凝土邊墻護面，墻頂高程1328.00m，邊墻與開挖坡面間采用C15混凝土回填。控制段采用實用堰，堰高4m，堰頂高程為1311.00m，溢流凈寬24m，設3扇8m×12m弧形工作閘門控制泄流量，工作閘門前設檢修閘門。泄槽段總長260.06m，起始點高程1299.80m，末端高程1239.01m，樁號0+026.00～0+130.58m底板縱坡為0.03，樁號0+146.93～0+283.93m底板縱坡為0.395，不同縱坡底板間由拋物線段連接。出口挑流段長24.75m，挑流鼻坎半徑為30m，挑角25°，挑流鼻坎末端高程為1239.75m，水流由挑流鼻坎挑入下游河床。出口消能采用等寬連續式鼻坎挑流消能型式。泄槽斷面為矩形，底板寬30m，厚1m；邊墻高7～6.50m，厚1.50m；泄槽全斷面采用C30鋼筋混凝土襯砌。

泄洪洞布置在左岸，由岸塔式進水口、洞身段和出口消能工段3部分組成。其進口平面位置位于溢洪道進口左側的潘家巖腳大溝，進水口距左壩肩約180m。岸塔式進水口段長35.50m，進口底板高程1265.00m，塔頂高程1329.20m，塔高64m，塔身平面尺寸為18m×29.26m，進口設5.50m×8m平面檢修門和5.50m×6m弧形工作閘門各1扇；洞身段為無壓隧洞段，軸線方位角N32.907°W，水平長820.42m，出口段采用挑流消能，反弧半徑60m，挑射角25°，挑流鼻坎高程1246.02m。

放空洞布置在左岸，由有壓取水隧洞+山體豎井式進水口、洞身段和出口消能工段3部分組成。其進口平面位置在溢洪道進口左側和泄洪洞進水口之間，進水口距左壩肩約160m。有壓取水隧洞段長94m，進口底板高程1242.00m，隧洞采用圓形斷面，洞徑為5m，采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚0.80m。有壓取水隧洞段后采用長7.50m漸變段接閘門豎井，閘門豎井段水平長度19.32m，底板高程1242.00m，建基面高程1239.00m，豎井頂部高程1329.20m，閘門豎井高90.20m，平面尺寸為19.32m×15m，內設4m×5m平面檢修門與4m×5m工作閘門各1扇。

3.3 發電引水建筑物

發電引水系統布置在大壩右岸。進水口順向邊坡覆蓋層厚1.50～2.50m，下伏基巖為T1f2-4底部薄至中厚層泥質粉砂巖與泥頁巖互層，巖質軟弱，邊坡穩定性差，開挖后需及時支護。引水隧洞為深水式有壓隧洞，設計流量99.30m3/s，鋼筋混凝土隧洞段平面總長318.33m，采用折線布置。隧洞采用圓形斷面，洞徑6.80m，采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚0.70m。

4 大壩結構參數計算

4.1 壩頂高程

庫區多年平均最大風速11m/s，正常運用條件下設計風速取多年平均最大風速的2倍，為22m/s，非正常運用條件下設計風速取多年平均最大風速，為11m/s。風區長度采用1∶10000庫區地形圖量算，為3.8km。按照《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)相關公式[4-6]，計算得水庫靜水位以上壩頂超高及壩頂高程成果，見表1。

表1 水庫靜水位以上壩頂超高及壩頂高程計算成果 單位：m

由于夾巖水庫大壩為Ⅰ等大⑴型工程，根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)規定，在正常應用條件(正常蓄水位)下，安全超高為1.50m；在非正常應用條件(設計和校核洪水位)下，安全超高為0.70m。壩頂高程的控制條件為設計洪水位加非正常運用條件的壩頂超高。壩頂設防浪墻，墻頂高程取為1329.20m，壩頂高程取為1328.00m。

4.2 大壩結構布置

夾巖水庫大壩為高壩，按照規范有抗震要求的壩頂寬度為10～12m，在滿足規范及綜合要求后，應盡量采用較小壩頂寬度，以降低投資，故擬定壩頂凈寬10m。壩頂上設高3.20m的“L”形鋼筋混凝土防浪墻，墻底部高程1325.80m，較正常蓄水位高2.80m。墻腳上游側設寬1m、厚0.6m的交通觀測平臺；1325.80m高程處壩寬13.88m，大于規范規定的面板滑模施工的最小壩面作業平臺寬度，能滿足滑模施工的要求。上游壩坡為1∶1.406。下游壩面局部壩坡為1∶1.35，并布置有10m寬的壩后公路，平均壩坡為1∶1.669，較1∶1.4緩，有利于抗震。下游壩面設永久壩后公路共4層，路面寬10m，在接壩端部設半徑為15m的回車場地，公路最大縱坡為11.43%。大壩下游面為大塊石護坡，厚1m，大壩標準斷面見圖1。

圖1 夾巖水庫面板堆石壩標準斷面 (單位：mm)

夾巖水庫面板堆石壩壩高154m，修建在河谷狹窄處，兩岸邊坡變化大，對面板要求較高。因此，設計確定面板混凝土強度等級為C30，抗滲等級為W12，抗凍等級為F100。

4.3 壩基處理

4.3.1 壩基及岸坡開挖

堆石體和地基因承受庫水壓力而產生的應力和變形主要分布在靠近上游1/3的范圍內，余下2/3的范圍內則較小。趾板下游平段開挖在河床段按寬60m、河床至壩高2/3處按0.40倍壩高計，再往上按0.30倍壩高計，將趾板、墊層和過渡層設于弱風化上。趾板上游開挖邊坡為1∶(0.50～1.25)；下游開挖邊坡為1∶1.25。大壩中、下游部分只將覆蓋層挖除即可。兩岸及基礎部位的墊層料向下游延伸后，過渡料也相應下延，以適應材料過渡的需要，減少周邊縫被拉裂的風險。周邊縫設優質止水材料，下設特殊墊層區，以適應周邊縫的變形，減少止水破壞的可能。

4.3.2 邊坡支護及固結灌漿

壩基開挖邊坡采用噴錨支護。噴混凝土強度等級為C20，厚10cm。錨桿為φ25砂漿錨桿，根長4.50m和9m。局部高邊坡設置預應力錨索(1000kN，根長20m)。在趾板與基巖連接部位，為了提高趾板基礎的整體性，提高抗沖蝕能力，需進行固結灌漿，充填基礎中的張開裂縫[7]。固結灌漿孔間距1.50m，排距按3m考慮，梅花形布置，孔深8m。

4.3.3 防滲帷幕灌漿

壩址兩壩肩及河床出露地層為T1f2-4、T1f2-3泥質砂巖、粉砂質泥巖,分布連續完整，無大斷裂破壞，壩址水文地質條件簡單，防滲條件可靠。壩址滲漏問題主要為裂隙性繞壩滲漏，防滲位置主要為弱風化和微風化上帶裂隙[8]。帷幕線結合壩肩滲漏進行綜合布置，河床及兩壩肩沿趾板線布置，兩壩肩垂直岸坡向山內延伸，端點接水庫正常蓄水位與地下水位交點，防滲下限兩壩肩按巖體壓水呂容值3Lu等值線以下5m，河床段按巖體壓水呂容值小于3Lu，且不低于0.50倍水頭為控制。根據上述原則，大壩整體防滲線長1150m。由于壩址處巖石以泥質粉砂巖、細砂巖為主，灌漿擴散半徑小，因此，大壩趾板部位防滲帷幕采用雙排孔，孔距為2m，排距1.50m，兩岸坡防滲帷幕采用單排孔，孔距2m。為保證左岸放空洞、生態洞、導流洞處帷幕封閉，本次考慮搭接帷幕，搭接帷幕灌漿約4380m。

5 結 論

夾巖水庫壩址區地質條件較復雜，近壩區主要分布有潘家巖腳崩塌堆積體、右岸崩塌堆積體和1號、2號卸荷危巖等不利地質條件。通過優選地質適應性強的壩型，進行開挖清除危巖體、邊坡削坡及掛網噴錨支護、回填置換破碎帶等工程措施處理后，具備良好成庫條件。

由于壩基壩肩均存在斷層發育帶、裂隙密集帶、軟弱夾層等地質缺陷，不宜修建混凝土重力壩等剛性壩體，同時，鑒于大壩高達154m，高瀝青混凝土心墻壩施工技術還有待更深入的實踐和探索，綜合考慮當地天然筑壩材料、施工技術、壩基處理和工程投資等因素，優選混凝土面板堆石壩壩型及首部樞紐布置方案。

綜合分析計算，確定壩頂設防浪墻，墻頂高程1329.20m，壩頂高程1328.00m。設計方案技術可行，經濟合理，可為工程順利施工建設提供技術保障。