龍河溝水庫工程擋水建筑物設計綜述

蔣 露

(貴州中水建設管理股份有限公司，貴陽 550003)

在水庫工程的建設工作中，針對擋水建筑物的設計工作，需要充分關注建筑物的相關設計工作要點，并且需要針對擋水建筑物的抗滑性和穩定性等相關參數進行有效的計算，有效提高水庫工程擋水建筑物的整體安全性和可靠性。針對我國龍河溝水庫工程的擋水建筑物設計工作進行了分析，重點針對擋水建筑物的可靠性進行研究，不斷提高水庫工程的整體使用安全性和穩定性[1]。

1 工程案例

龍河溝水庫工程位于我國石阡縣西南部處河段，水庫工程的壩型為面板壩，壩址處控制流域面積大小為3.83 km2。水庫的總容量為241萬m3，水庫工程的正常蓄水位為846.00m，正常蓄水位以下的庫容量為209萬m3，死水位為821.00m，對應的水庫容量為11.3萬m3。每年可供水總量為288.1萬m3，不含有生態水。水庫工程為IV等級工程，屬于小規模水利工程。針對龍河溝水庫工程的擋水建筑物設計工作展開了研究和分析，該水庫工程當中包含了各種樞紐建筑物、供水和引水工程幾個重要的構成環節，水庫的總庫容量<0.1億m3，且>0.01億m3，屬于小規模水利工程。

2 擋水建筑物級別

該水庫工程主要水工建筑物洪水設計標準，依照水利水電工程等級劃分、洪水劃分標準、灌溉和排水工程設計規范、灌溉和排水工程實際規范以及《水利水電樞紐工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2017)當中的相關標準來加以確定，具體如表1所示。

龍河溝水工工程的擋水建筑物使用年限設定為50a，管水管線和泵站設定為4級建筑物，使用年限為30a，引水壩結構為5級，建筑物合理的使用年限為50a，引水隧洞為5級，建筑物使用年限為30a。

3 樞紐擋水建筑物的重點設計指標

3.1 重力壩的安全系數設計

依照混凝土重力壩的相關設計工作要求，針對該水庫工程內部5級重力壩擋水建筑物的運行期限進行了有效的設定，在各種荷載重力條件下，垂直應力不能出現拉應力作用，當水壩的垂直應力需要小于基礎壩的容許壓力大小，在施工期間擋水壩的垂直用力需要<0.1MPa的垂直拉應力。擋水壩的抗滑穩定性需要依照實際的施工條件來進行計算，重點判斷擋水壩的抗剪斷強度大小，要求基礎組合時擋水壩的最小安全系數為k=3.0，特殊組合條件下，當水泵的最小安全系數為k=2.5。(龍河溝引水壩為五級建筑物)

3.2 面板堆石壩設計標準

依照小型水利工程碾壓式土石壩的設計工作規范，面板堆石壩工程等級設定為4級，面板堆石壩的抗滑穩定性以及最小安全系數如表2所示。

3.3 擋水建筑物

龍河溝水庫工程面板堆石壩的軸線方位為NE57.96°，壩頂的長度為203.90m，寬度為7.6m，壩頂高程為849.0m，最大壩體高度為45.30m。上游區域壩坡比例為1∶1.5，下游壩坡比例為1∶1.5。依照小型水利水電碾壓式土石壩的設計工作規范，當水利工程的壩頂高層和水庫工程的凈水位之間相同的情況下，可以運用相應的條件計算方法取其中的最大值，壩頂的超高計算方式為：

y=R+A

(1)

式中：R為波浪在壩坡上的爬高，m；A為安全超高，m。

依照該水庫工程的相關規范條件以(SL189-2013)附錄數據參數為基礎，準確計算出波浪的爬高大小為R，擋水壩頂部安全超高A取值為0.5m。依照實際的設計標準來進行靈活的調整，水庫正常的蓄水位高度為846.00m，該水庫區域平均最大風速為10.0m/s，最大的分區長度為1.0km，具體計算結果如表3所示。

表3 水庫靜水位以上壩頂超高

4 大壩標準剖面設計

4.1 壩坡

在針對水庫工程壩坡混凝土面的設計工作中，主要是依照基壩的實際強度、構造特點以及堤壩的材料性質來加以確定，依照混凝土面板堆石壩的相關設計工作要點，堤壩材料設計為硬巖堆石材料時，上下游的河道堤壩可以使用1∶1.3-1∶1.4，主堆石區可以使用泥制灰巖材料[2]。該巖體強度相對較大，通過計算飽和的材料最大的強度超過40MPa，屬于質地比較堅硬的巖石材料，因此在大壩壩體的結構設計工作中，針對上游的防滲面板和下游的墊層面板區域，需要采取下游石塊護坡和下游堆石的擋水設計方法，有效提高整體的擋水工作效果[3]。

4.2 壩體分區和材料

依照面板壩的受力特性以及抗滲透工作要求，在本次擋水建筑物的設計工作中，主要的工作原則為，各個擋水區域之間必須要滿足水體沖擊和過渡工作的要求，從水體的上游向下游的滑體需要遵循滲透系數遞增的設計條件，對應的下游壩體材料需要和上游之間形成反濾保護工作效果。壩軸線的上游側方區域使用的是變形模量較大的堆石材料，下游區域則可以放寬設計要求，可以保證蓄水之后壩體的形變性更小，有效降低面板和止水系統的破壞性。

在擋水建筑物的設計分區上需要盡可能簡化，方便后續的工程施工，同時也為后續的等水材料的運輸以及提高填注質量打下良好的基礎。

4.3 墊層區設計

從上述的擋水建筑設計條件來看，墊層區的寬度大小為3-5m，墊層區的材料通常使用人工加工的方式整體的成本相對較高，工程面板后墊層到水平寬度為3.5m。墊層區的主要作用是為擋水面板提供出良好的支撐條件，其次是從整個防滲角度上出發，為其提供出第二道工作防線，有效依照墊層的工作條件以及防滲漏的特點，需要做好以下幾個方面的設計要求：

1)需要保證及配良好細集料需要滿足擋水建筑物的空隙設計標準，有效保證擋水面具有較大的變形模量以及較大的密實程度，有效提高擋水面的支撐性的要求，保證水荷載所造成的形變量最小。

2)要保證具有相應的細度標準，取d小<5mm，保證滲透系數大小在10-14之間，要充分滿足半滲透水的設計工作要求。在擋水建筑物的設計過程中，需要保證面板產生的漏水狀況得到有效的控制，要通過擋水面板有效控制堤壩的總滲透量，有效降低墊層之后的堤壩水位高低，有效提高大壩結構整體的穩定性和水體的滲透性。通過這種設計方式可以對上游的鋪蓋涂料形成有效的反過濾作用，可以將滲流形成的顆粒直接帶入到土縫當中，對滲流通道形成良好的填補和治愈作用[4-6]。

4.4 過渡區

過渡區主要位于墊層料和組堆石料中間過渡區，主要作用是預防墊層當中的細顆粒材料在滲透水流的作用下造成滲透和破壞，因此在設計工作中必須要充分滿足法律工作準則，同時還需要有效降低墊層料和主石堆之間的強度差大小，以此來達到相應的形變量過度。因此通常需要配備相應的及配參數，保證過渡區具有良好的壓縮性和抗剪強度，同時保證過渡區具有自由排水的工作效果。

4.5 主堆石區

主堆石區域是擋水壩面板承受水荷載以及外部荷載的重要支撐結構，通常情況下對主堆石區要求低壓縮性及要具有更高的密度以及結構的抗體，強度有效保證擋水建筑物在外部水荷載的作用下，最大的面板形面積不會超過最大值，同時要具有自由的排水工作性能，滲透系數大小為10cm，在施工和使用過程中不能產生空氣水壓力。在確定下游堆石壩的位置時，需要考慮到兩個方面的工作原則。首先，下游的堆石區需要設置在壩體，最小的受力區域有效保證擋水壩和面板形變量達到最小。其次，下游的堆石區底部高層不能低于下游的最高水位，有效保證堆石壩水利過度工作要求，保證上游的滲水可以直接排放到下游區域，下游的堆石區域要盡可能遠離擋水建筑物的面板，保證壓縮性對面板的變形影響最小，這也是提高整個下游擋水壩的重要作用。

5 結 語

針對下游護坡結構主要起到的是兩個方面作用，第一是保護壩體的下游堆石料不會受到破壞，有效防止結構當中細顆粒、壩體材料不會受到雨水的沖刷作用而產生流失。第二是起到良好的美觀性效果，要求使用20kg以上的土石塊，形狀大致平整，可以起到良好的穩定性效果，并且巖石塊需要堅固耐用，抗風化作用，提高整個結構的擋水工作效果。