嶺官水庫強(qiáng)風(fēng)化基巖壩段設(shè)計(jì)

蔣際賀

(福建興禹建設(shè)工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 泉州 362000)

1 工程概況和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

嶺官水庫壩址位于福建省清流縣林畬鄉(xiāng)嶺官村上游約1.2km處，壩址以上流域面積2.85km2，水庫總庫容84.31萬m3，壩型為C15混凝土重力壩，是一座以灌溉為主、兼顧供水(備用水源)等綜合利用功能的小(2)型水庫，工程于2016年投入使用。壩頂高程590.00m，壩底高程551.00m，最大壩高39.00m。壩頂寬度為4.0m，長156.0m，上游面豎直，下游面坡度為1∶0.75，折坡點(diǎn)高程為586.00m。壩體基礎(chǔ)采用厚2.0m的C20素混凝土墊層。左、右壩端建基面均在高程570m處由弱風(fēng)化基巖向強(qiáng)風(fēng)化基巖過渡,利用強(qiáng)風(fēng)化基巖壩段最大壩高20.00m。嶺官水庫工程等別為Ⅴ等工程，建筑物級(jí)別均為5級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20a一遇設(shè)計(jì)，100a一遇洪水校核；20a一遇設(shè)計(jì)洪水位589.41m，下泄流量為38.03 m3/s；100a一遇校核洪水位589.67m，下泄流量為49.08m3/s。

嶺官水庫大壩設(shè)計(jì)特點(diǎn)：由于兩壩肩處弱風(fēng)化基巖埋藏深，左、右壩端建基面均在高程570m處由弱風(fēng)化基巖向強(qiáng)風(fēng)化基巖過渡,利用強(qiáng)風(fēng)化基巖壩段最大壩高20.00m。

2 設(shè)計(jì)方案比選

地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)左岸強(qiáng)風(fēng)化層下限埋深13.5-30.5m，右岸強(qiáng)風(fēng)化層下限埋深12-22m。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，壩高<50m時(shí)，可建在弱風(fēng)化中部至上部基巖上。兩岸地形較高部位的壩段，可適當(dāng)放寬。設(shè)計(jì)過程中選取兩種方案進(jìn)行比較：方案一采用常規(guī)的弱風(fēng)化基巖；方案二壩肩采用強(qiáng)風(fēng)化基巖(最終選用方案)。

方案一：大壩壩頂高程590.00m，壩底高程551.00m，最大壩高39.00m，壩頂寬度4.0m，壩體上游面為豎直面，下游面坡度為1:0.72，折坡點(diǎn)高程為586.00m；壩頂總長267m，其中左擋水壩長96m,右擋水壩長154m；溢洪道設(shè)在大壩中部堰頂高程588.00m，共2孔，凈寬12m，邊墩寬2.0m。溢流堰面采用WES實(shí)用堰，堰頂高程為588.00m，與正常蓄水位齊平，堰體不掛閘，采用自由溢流的方式泄洪。溢洪道陡槽段坡度1:0.78，溢洪道末端反弧段半徑為7m，挑射角25°，鼻坎高程為561.00m。下游消能方式采用挑流消能。

方案二：為減少土方開挖，節(jié)省工程投資，將大壩左、右端頭采用混凝土重力壩與強(qiáng)風(fēng)化中下部基巖相接。經(jīng)過多次試算調(diào)整，左、右壩端建基面均在高程570m處由弱風(fēng)化基巖向強(qiáng)風(fēng)化基巖過渡,利用強(qiáng)風(fēng)化基巖壩段最大壩高20.00m。與方案一相比大壩斷面尺寸不變，壩肩壩段利用強(qiáng)風(fēng)化基巖后壩頂長度縮短42%，壩頂總長156m，其中：左擋水壩長65m,右擋水壩長74m。

兩種方案的下游立視圖見圖1和圖2。

圖1 方案一下游立視圖

圖2 方案二 下游立視圖(采用方案)

表1 兩種方案投資比較表

兩種方案投資比較見表1，從表1可以看出，采用壩端壩段采用強(qiáng)風(fēng)化基巖節(jié)省投資約27%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 大壩應(yīng)力和穩(wěn)定分析

3.1 計(jì)算方法和工況

根據(jù)重力壩設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，混凝土重力壩應(yīng)以材料力學(xué)法和剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，采用《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL319-2005中的計(jì)算公式：壩體抗滑穩(wěn)定按抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，壩基截面進(jìn)行垂直應(yīng)力計(jì)算。

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL319-2005有關(guān)條款，混凝土重力壩穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算時(shí)取正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和竣工期4種計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算。

3.2 計(jì)算參數(shù)的取值

上游校核洪水位589.67m，相應(yīng)下游水位559.67m；上游設(shè)計(jì)洪水位589.41m，相應(yīng)下游水位559.46m；正常蓄水位588.00m；淤砂高程：570.00m；強(qiáng)風(fēng)化基巖抗剪斷強(qiáng)度：f′=0.6，c′=0.3；壩體材料容重：23.5kN/m3；壩高20.0m，滲壓強(qiáng)度系數(shù)取0.35。

3.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，各種工況下的壩體穩(wěn)定、應(yīng)力結(jié)果見表2。從計(jì)算結(jié)果可知，擋水壩段在各種計(jì)算工況壩體穩(wěn)定及應(yīng)力都能滿足規(guī)范要求。僅竣工期壩趾出現(xiàn)6kPa的拉應(yīng)力，<規(guī)范允許0.1MPa的主拉應(yīng)力，滿足要求。

表2 壩肩穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算成果表

4 壩段側(cè)向穩(wěn)定計(jì)算

將壩段分成5個(gè)壩塊，采用剛體極限平衡“等K值法”原理進(jìn)行側(cè)向穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算時(shí)考慮相臨壩塊之間存在相互作用力，試算出使5個(gè)壩塊抗滑穩(wěn)定安全度相同的相互作用力，5個(gè)壩塊的抗滑力函數(shù)的和與作用力函數(shù)的比值即為整個(gè)壩段的抗滑安全系數(shù)計(jì)算成果。壩段分塊見圖3。

圖3 壩段分塊示意圖

計(jì)算公式：

1)作用力函數(shù)

(1)

2)抗滑力函數(shù)

(2)

3)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

K′=R(·)S(·)

(3)

式中：i為壩塊的編號(hào)；Qi為壩塊間的相互作用力,kN，∑Qi=0；αi為作用力與水平面的夾角，°，取0(按偏安全考慮)；∑WRi為總垂直荷載(揚(yáng)壓力除外),kN；∑WPi為總向下游水平荷載,kN；∑WUi揚(yáng)壓力,kN；βi為壩塊基礎(chǔ)面傾角，°；ARi為壩塊的斷面面積，m2。

本次計(jì)算，弱風(fēng)化基巖：f′=0.85，c′=0.7；強(qiáng)化基巖：f′=0.6，c′=0.3；斜坡上摩擦系數(shù)性能折減系數(shù)取0.95，斜坡上凝聚力性能折減系數(shù)取0.7。經(jīng)計(jì)算，工況1：側(cè)向穩(wěn)定安全系數(shù)K’=3.75，工況2： K’=3.47，工況3： K’=3.4，均滿足規(guī)范要求。

4 壩基處理

壩體基礎(chǔ)采用厚2.0m的C20混凝土墊層，墊層混凝土澆筑至上下游側(cè)開挖邊坡。由于兩岸壩端壩基為強(qiáng)風(fēng)化中下部巖石，為調(diào)整該部分壩段基巖整體受力平衡，在混凝土墊層底部配置一層Φ25鋼筋。鋼筋間、排距均為40cm，并將鋼筋延伸2m至弱風(fēng)化基巖的混凝土墊層。

鑒于壩址區(qū)壩基巖體節(jié)理和隱節(jié)理發(fā)育，開挖爆破會(huì)對(duì)壩基巖體產(chǎn)生較明顯的影響，為提高壩基巖體的整體強(qiáng)度和抗變形能力，對(duì)壩基進(jìn)行全面固結(jié)灌漿。強(qiáng)風(fēng)化基巖固結(jié)灌漿孔孔深5m，孔距2m，呈梅花形布置。

壩基帷幕灌漿深度根據(jù)相對(duì)隔水層的分布深度情況確定，由于本工程壩高較低，因此設(shè)置一排帷幕灌漿孔，孔距2.0m，帷幕灌漿深入相對(duì)隔水層(q< 5Lu)以下5m。為有效切斷繞壩滲漏通道，根據(jù)兩岸地下水位線和相對(duì)隔水層線的分布情況，結(jié)合考慮兩岸風(fēng)化深厚，地下水位線埋藏較深，帷幕灌漿延伸至正常蓄水位與地下水位相交處。因此，防滲帷幕向左岸延伸15m，右岸延伸53m，岸坡防滲帷幕從現(xiàn)有地面鉆孔[1-2]。

5 結(jié) 語

1)重力壩壩肩壩段壩高較小，強(qiáng)風(fēng)化基巖可滿足穩(wěn)定和承載力要求。當(dāng)弱風(fēng)化巖埋藏較深時(shí)，可適當(dāng)采用強(qiáng)風(fēng)化基巖以節(jié)省投資。

2)當(dāng)壩基較陡時(shí)，可加大平臺(tái)寬度以滿足壩段側(cè)向穩(wěn)定要求。

3)當(dāng)壩高較小時(shí)，通過固結(jié)灌漿和帷幕灌漿可滿足重力壩強(qiáng)風(fēng)化壩基的滲流及整體穩(wěn)定要求。