寨上水庫拱壩方案優化設計

陳桂友

（遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義563000）

拱壩是山區峽谷河流中常見的一種攔水壩，是指一種在平面上向上游彎曲，呈曲線形、能把一部分水平荷載傳給兩岸的擋水建筑，屬于空間殼體結構。為保證拱壩施工質量，需切實做好方案設計與優化，采用適宜的筑壩材料、施工工藝。

1 工程概況

擬建寨上水庫位于遵義市紅花崗區巷口鎮巷口村泥溪溝中上游河段，壩址距巷口集鎮5.0 km，距遵義市中心城區19 km。泥溪溝屬湘江右岸二級支流、洛江右岸一級支流，該河流發源于巷口鎮中山村西北面的石口山，往東匯入洛江，河口高程954.00 m，全流域面積27.3 km2，主河道加權平均比降15.6‰，主河道河長13.4 km，流域形狀系數0.152，流域內地形屬山間丘陵谷地或緩丘地形，地勢西高東低。流域內現有水利工程較少，水資源開發利用程度總體較低，流域內主要水利工程為6 處小山塘以及一些小型引、提水工程和農村安全飲水工程。據調查統計，2015 年流域內水利工程有效灌溉面積750 畝。

2 工程等別、建筑物級別

擬建寨上水庫的主要任務為灌溉供水，主要解決巷口鎮、金鼎山鎮灌溉用水。水庫興利庫容為352 萬m3，總庫容為468 萬m3，多年平均供水量為458 萬m3，水庫規模為小（1）型水庫，工程等別為IV 等。水庫樞紐工程主要建筑包括擋水建筑物、泄水建筑物和取水兼放空建筑物。大壩為堆石混凝土拱壩，主要建筑物級別為4 級，次要建筑物和臨時建筑物為5 級。水庫總灌溉面積為1.85 萬畝，泵站裝機功率0.64 MW，設計流量0.358 m3/s，灌溉工程等別為Ⅳ等，規模為小（1）型，其灌溉輸水管線和泵站等主要建筑物為4 級，次要建筑物為5 級。

3 適宜壩型分析

水庫壩址為泥溪溝上游的龍山河段，其河床比較狹窄，地形坡度在40°～50°范圍內，局部分布有陡壁，這一河段主要為裸露薄至中厚層灰巖夾泥（質）灰巖，層間分布的泥巖夾層厚度不大，巖層總體傾下游，為基本對稱的“V”橫向河谷，河谷寬高比為1.8～3.2，區內無斷層切割，局部發育的裂隙對建壩影響小。本壩址經適當工程處理后具備成庫建壩條件，宜建剛性壩。

根據水庫工程規模，結合壩址區地形地質條件與水庫樞紐建筑物實際布置情況，選擇拱壩與重力壩進行比選。工程所在地區的天然建筑材料豐富，無論是下游的T1m 的灰巖，壩區內的T1y2灰巖，還是庫區的P2q+m 灰巖，都可以在大壩填筑中使用。施工場地比較狹窄，對大型施工機械設備的布置有一定影響，并且壩體的方量很小，拱壩只有3.5 萬m3左右，無法使用碾壓混凝土，但常態混凝土的溫度控制比較復雜，且造價較高，所以不建議在本工程中使用；根據工程區實際建設情況與壩高，對混凝土砌石與堆石混凝土兩種筑壩材料進行對比：

（1）混凝土砌石：①材料特點：砌石混凝土采用常態混凝土，有普通混凝土所有特點，密度約為2.35 t/m3；②施工工藝：先鋪填一層混凝土，使用機械設備使石料入倉，再由人工安放石料，并充填混凝土，采用人工將充填的混凝土振搗密實，其砌筑厚度在1 m 以內，實際施工速度相對較慢；③施工質量控制：大壩的施工受到人員自身技術水平限制，施工質量控制難度較大。根據工程統計結果可知，大壩砌石率在40%～45%范圍內，混凝土填充率通常大于55%，施工中的溫度控制效果一般。

（2）堆石混凝土：①材料特點：堆石混凝土采用自密實混凝土，除普通混凝土本身特點，還具有運動度高、穩定性與均勻性更好，密度在2.4 t/m3～2.5 t/m3范圍內；②施工工藝：采用機械設備入倉，并采用機械設備平倉，然后利用混凝土的自重將壩體充填密實，澆筑時無需采用人工進行振搗，其澆筑厚度在1.5 m～2.0 m 范圍內，施工速度相對較快；③施工質量控制：施工機械化程度高，混凝土能從拌和站直接泵送到澆筑倉面，混凝土澆筑受施工人員自身因素的影響較少，施工質量控制相對容易。根據工程統計結果可知，大壩的堆石率在55%～58%范圍內，混凝土填充率在45%以內，施工中的溫度控制效果良好，質量有良好的保證。

通過以上對比，堆石混凝土相較于混凝土砌石，不僅工藝簡單、施工速度快，而且機械化程度更高，會有利于施工質量控制。雖然它的造價比砌石高，但作為具有我國自主知識產權的新型的大體積混凝土施工技術，兼備低碳環保、低水化熱、密實度高、體積穩定性好，層間抗剪能力強等諸多優勢。近幾年已經在我國水利水電項目當中獲得高度認可與廣泛應用，在本工程中合理應用該施工技術，對進一步推廣多元化的筑壩材料應用有重要現實意義。因此，根據工程的具體情況，將C9015 堆石混凝土作為本次施工的筑壩材料。從地形地質條件、樞紐布置、施工組織、投資等技術經濟方面的綜合比較，堆石混凝土拱壩方案優于堆石混凝土重力壩方案，推薦堆石混凝土拱壩方案。壩型樞紐方案主要特性比較見表1。

4 堆石混凝土拱壩方案

4.1 結構布置

大壩采用堆石混凝土拱壩，基本設計參數見表2～表3。

表1 壩型樞紐方案主要特性比較表

表2 混凝土拱壩設計參數

表3 大壩體型參數表

大壩主體筑壩材料為C9015 堆石混凝土，在上游面布置防滲面板，板厚為0.5 m，按W6 抗滲標準設計，抗凍等級取F50。防滲墻和壩基墊層相連，壩基設置厚度為1.0 m 的混凝土墊層，壩肩設置厚度為1.0 m 的墊層，采用C9015 自密實混凝土，抗滲與抗凍要求與上游面防滲面板相同；大壩頂部設置厚度為0.3 m 的路面，采用C25 混凝土。工程施工所用石料通過外購獲得，其儲量與質量都應與設計要求相符。大壩的壩頂雖不用于交通，但其寬度必須滿足機械設備及灌漿材料實際運輸要求，并與大壩運行觀測基本要求相適應，通過應力與穩定性分析計算，壩頂寬度確定為5.0 m，同時在大壩頂部上游和下游側設置高度為1.2 m 的欄桿，材料為青石。大壩頂部和上壩公路直接相連，位于大壩中部的泄洪孔處設置寬度為5 m 的工作橋和左、右壩段相接。

在大壩的0+074.10 處設置泄洪表孔，泄洪采用開敞式不設閘的方式，共設兩孔，每個孔的寬度為6 m，溢流凈寬為12 m，在孔頂設置交通橋與大壩的兩端相連。溢流堰為WES 實用堰，采用挑流消能方式，挑坎頂部高程為927.00 m，挑射角度為20°，反弧半徑為5 m。取水兼放空建筑物布置在大壩的左壩段，進口處的底板高程為912.50 m，設置一道攔污柵與一扇平板事故檢修閘門，閘門井的尺寸為長×寬=6.3 m×5.1 m，之后設置長度為2.4 m 的漸變段，從邊長為1.5 m 的方形孔漸變成直徑為1.2 m 的圓形洞，其后與鋼管相接，長度為22 m，外層包裹C20混凝土，壩后與Φ800 輸水管、Φ200 生態放水管和Φ1200 水庫放空鋼管相接。

4.2 應力分析

壩體應力分析采用浙江大學編制的《ADAO 拱壩分析與優化軟件》進行計算，計算得：壩體最大主拉應力在設計水位+溫升工況下，發生在拱冠梁處，為1.04 MPa；壩體最大主壓應力為2.58 MPa，發生在校核水位+溫升工況。壩基、壩肩嵌入弱風化巖體中、上部，對于局部破碎巖體及溶蝕等采取局部挖除后換填C20 砼和固結灌漿處理后，各種工況下壩體的最大主壓應力、拉應力均在規定的允許范圍內，基巖承載力也滿足要求。

5 結語

綜上所述，本工程采用堆石混凝土拱壩，通過以上方案設計與優化，可以滿足設計與規范的要求，本工程拱壩方案設計與優化合理可行，可為類似工程提供參考借鑒。本文根據混凝土拱壩設計成功經驗，應用于打鼓臺、萬家溝、綠塘及茅坡等水庫工程堆石混凝土設計中，減少施工干擾，充分發揮堆石混凝土低碳環保、施工快速、投資省等特點。