兩岔河水庫(kù)黏土心墻壩設(shè)計(jì)綜述

王 攀，唐安紅

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000)

1 工程概況

兩岔河水庫(kù)位于桐梓縣花秋鎮(zhèn)境內(nèi)，地處桐梓河右岸二級(jí)支流，漆樹溝右岸一級(jí)支溝兩岔河中游河段。壩址上游集雨面積6.5km2，多年平均徑流量332萬(wàn)m3。水庫(kù)正常蓄水位為1133.00m，相應(yīng)庫(kù)容135萬(wàn)m3，水庫(kù)總庫(kù)容171萬(wàn)m3，規(guī)模為Ⅳ等小(1)水利工程。水庫(kù)樞紐主要由黏土心墻壩、溢洪道、取水兼放空建筑物等組成。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用300a一遇。工程任務(wù)為集鎮(zhèn)、農(nóng)村供水及農(nóng)田灌溉。

2 壩址地形地質(zhì)條件

壩址位于兩岔河與大河溝匯口至瓦廠窯之間的河段，該河段長(zhǎng)約250m。河段上游河流相對(duì)順直，總體由S60-70E發(fā)育，在下游呈反“∽”型延伸出突，在上游左岸有大河溝總體沿S5-10W匯入。區(qū)內(nèi)基巖多裸露，為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀N30°-40°E/SE∠10°-20°，為不對(duì)稱的 “V”型橫向或斜河谷結(jié)構(gòu)。

壩區(qū)主要出露志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1l)、韓家店組(S1h)、二迭系中統(tǒng)棲霞茅口組(P2q+m)及第四系(Q)地層。匯口處有大坡斷層(F1)橫切河床，受區(qū)域構(gòu)造影響，壩址小斷層及裂隙較發(fā)育。壩址區(qū)壩基巖體主要為S1h頁(yè)巖夾砂質(zhì)頁(yè)巖，巖層傾下游微偏右岸，傾角10°-20°，為單斜巖層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)狀總體較穩(wěn)定，局部受構(gòu)造影響產(chǎn)狀變化較大。頁(yè)巖夾砂質(zhì)頁(yè)巖巖層面較光滑，層面間咬合較差，抗剪強(qiáng)度較低。

3 壩型比選及大壩樞紐整體布置

3.1 壩型優(yōu)化比選

工程區(qū)內(nèi)天然建筑物材料分布廣泛，風(fēng)化料，黏土料及石料儲(chǔ)量豐富，壩址附近及管線沿線均有分布，料場(chǎng)交通方便。選取了黏土心墻壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型作比較。

對(duì)兩種壩型主要從樞紐布置方案進(jìn)行比較，其主要區(qū)別在于：①大壩結(jié)構(gòu)布置不同；②筑壩材料不同；黏土心墻壩防滲料為黏土，壩殼料為風(fēng)化料。混凝土面板堆石壩防滲體為混凝土防滲面板，主要筑壩材料是堆石。兩種壩型樞紐布置方案工程特性及投資情詳見表1，2種壩型優(yōu)缺點(diǎn)比較表見表2。

表1 2種壩型大壩特性表比較表

表2 2種壩型優(yōu)缺點(diǎn)比較表

通過(guò)上述對(duì)兩種壩型方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較分析，混凝土面板堆石壩和黏土心墻壩在地形地質(zhì)的適應(yīng)性上均較好，施工場(chǎng)面大，施工工藝簡(jiǎn)單，便于機(jī)械化作業(yè)，施工強(qiáng)度較高。但黏土心墻壩方案比混凝土面板堆石壩方案樞紐部分投資節(jié)省，綜上所述，本階段推薦壩型為黏土心墻壩[1]。

3.2 大壩結(jié)構(gòu)布置

水庫(kù)樞紐區(qū)擋水建筑物為黏土防滲體心墻壩，大壩軸線主要是充分利用兩岸地形，以樞紐建筑物布置緊湊，溢洪道開挖石方盡量能利用為原則，盡可能將壩體布置在工程量較小、施工方便的相對(duì)河床較窄處。經(jīng)樞紐布置和綜合技術(shù)比較后，確定壩軸線方向?yàn)镹22.43°E。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274—2001，并結(jié)合壩體施工填筑要求和大壩設(shè)計(jì)計(jì)算，擬定壩頂寬6.00m，壩頂高程1137.00m，河床建基面高程為1098.50m，壩頂長(zhǎng)118.00m，最大壩高38.5m，最大壩底寬162.5m。壩頂上游、下游側(cè)設(shè)青石防護(hù)欄桿。大壩上游壩坡為1∶2.2，采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，岸坡周邊采用C20混凝土固腳，并設(shè)排水溝；大壩下游壩坡為1∶2.3，采用混凝土框格+植草護(hù)坡，下游壩面在高程1121.00m設(shè)2.0m寬的馬道，1110.50m高程以下設(shè)干砌塊石排水棱體，下游壩腳設(shè)截流墻及量水堰[2]。

4 黏土心墻壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 壩頂高程確定

調(diào)洪計(jì)算成果可知：水庫(kù)正常蓄水位1133.00m，設(shè)計(jì)洪水位1134.99m，校核洪水位1135.81m，多年平均最大風(fēng)速12.0m/s，水庫(kù)計(jì)算吹程D=0.20km。根據(jù)SL274—2003《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，按正常和非常兩種工況，計(jì)算得壩頂高程成果，如表3所示。

表3 壩頂高程計(jì)算成果

表1可知，非常校核洪水位為壩頂高程控制工況，取壩頂高程1137.00m。

4.2 心墻厚度計(jì)算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)中提出的公式確定土質(zhì)防滲體心墻厚度：

d≥H/4

(1)

式中：d為心墻厚度，m；H為墻基水頭，m，本工程最大水頭37.81m，

經(jīng)計(jì)算，心墻底部厚度最小取值為5.00m，頂部最小厚度為3m。經(jīng)綜合考慮，心墻宜采用漸變式厚度變化，頂厚3.0m，心墻上下游變厚坡比為1:0.15，心墻基礎(chǔ)處厚度11.0m。

4.3 滲流及壩坡穩(wěn)定分析

4.3.1 滲流分析

大壩滲流穩(wěn)定分析根據(jù)設(shè)計(jì)大壩剖面圖、鉆探資料、洪水成果，采用的壩體各部位滲透系數(shù)：K1=1×10-3cm/s(壩體風(fēng)化填筑層)、K2=1.0×10-5cm/s(黏土心墻)進(jìn)行計(jì)算。確定的計(jì)算模型為：有限深透水地基(深5.0m，滲透系數(shù)K3=1×10-4cm/s)上；確定計(jì)算工況為：A.庫(kù)水位校核洪水位1135.81m(P=0.33%)、下游洪水位1104.30m(P=0.33%)； B.庫(kù)水位設(shè)計(jì)洪水位1134.99m(P=3.33%)、下游洪水位1103.90m(P=3.33%)；C.庫(kù)水位為正常蓄水位1133.00m、下游水位為1102.74m。

1)計(jì)算方法及結(jié)果：

采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正巖土系列軟件5.21版》之《理正滲流分析軟件》進(jìn)行分析計(jì)算。滲流計(jì)算成果見表4。

表4 滲流計(jì)算成果表

2)壩體滲透穩(wěn)定分析：

滲流作用下土體開始發(fā)生滲透破壞的水力臨界坡降按太沙基公式計(jì)算：

(1)

式中：icr為臨界坡降；Gs為土粒比重；e為土孔隙比；Fs為流土安全系數(shù)。

根據(jù)土體試驗(yàn)結(jié)果，取Gs=2.66，e=0.67，計(jì)算出icr=0.99，考慮壩體材料為風(fēng)化料，取安全系數(shù)為2，則大壩土石料允許抗?jié)B坡降【J】=0.50。

實(shí)際滲透坡降按下式計(jì)算：

(2)

穩(wěn)定滲流期壩體浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，壩體滲透比降為J=0.35，小于壩體允許滲透比降【J】=0.50。

4.3.2 壩坡穩(wěn)定分析

1)計(jì)算工況與最小安全系數(shù)：

本水庫(kù)為Ⅳ等工程，大壩為4級(jí)水工建筑物，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定，壩坡穩(wěn)定計(jì)算考慮計(jì)算工況及相應(yīng)最小安全系數(shù)見表5。

表5 壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況及相關(guān)參數(shù)表

2)計(jì)算方法：

水庫(kù)大壩為心墻壩，根據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用剛體極限平衡法。

計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正邊坡穩(wěn)定分析軟件》進(jìn)行計(jì)算。

3)壩坡穩(wěn)定分析：

通過(guò)計(jì)算，4種計(jì)算工況的計(jì)算成果見表6。

表6 壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果

5 結(jié) 論

1)在水庫(kù)工程壩型選擇過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件、建筑物布置、施工條件、工程量及投資等進(jìn)行比較分析論證，統(tǒng)籌安排，全面分析，選取既技術(shù)可行又經(jīng)濟(jì)合理的方案。本工程優(yōu)選黏土心墻壩。

2)水庫(kù)樞紐由黏土心墻壩、溢洪道、取水兼放空建筑物等組成。心墻壩最大壩高39.0m，壩頂高程為1137.00m。

3)根據(jù)心墻壩滲流和壩坡穩(wěn)定分析，在各工況下壩體單寬滲漏量較小，壩體浸潤(rùn)線滲流坡降較緩，壩體滲透比降為小于壩體允許滲透比降，不會(huì)發(fā)生滲透破壞，壩體滲流性態(tài)滿足規(guī)范要求；壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，壩坡穩(wěn)定。