密槽水庫工程重力壩設計

周 華

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

密槽水庫工程位于貴州省銅仁市碧江區境內，距離銅仁市市區約4 km。工程的主要任務是城市供水、灌溉及農村用水的綜合性水利工程。密槽水庫水庫正常蓄水位290.00 m，死水位273.00 m，校核洪水位291.87 m，總庫容1485萬m3，年供水量為1795萬m3/a。工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型。擋水大壩建筑物級別為3級。

碾壓混凝土重力壩壩軸線總長為210 m，壩頂高程293.0 m，建基面高程235.0 m，最大壩高58.0 m。樞紐布置為：河床段設置3孔壩頂溢流表孔，取水兼放空設施布置在左岸。

2 工程地質

壩址位于卜口河羅家位置，河床高程255.0 m～255.5 m，寬20 m～40 m。下游左岸側120 m發育尖坡沖溝，左岸為較寬厚的山脊地形，山脊下部為較寬緩1級階地，高于河床3 m～8 m，階地寬10 m～80 m，呈階梯狀分布，階地以上地形坡面較順直，地形坡度22°～35°。右岸為山體斜坡地帶，岸坡高程258 m以上坡面較完整，起伏較小，地形坡度30°～40°。正常蓄水位290.0 m時河谷寬168 m，寬高比3.51。壩址區出露地層為寒武系下統清虛洞組第二段(∈1q2)至寒武系下統杷榔組第二段(∈1p2)地層，巖性由泥質灰巖、白云巖、泥灰巖，含鈣和粉砂泥質粉砂巖夾極薄層灰巖、板狀頁巖構成。左岸壩軸線至尖坡沖溝一帶受F1斷層影響，多發育撓曲，由河床至岸坡約50 m范圍內產狀變化大，之后產狀穩定，巖層傾角整體平緩，總體產狀傾向右岸，傾下游側，巖層產狀為80°～95°∠5°～8°，巖層走向與河流交角一般35°～40°。

設計中需對河床F1斷層位置進行針對性特殊處理，防止滲漏破壞。

3 大壩設計

重力壩布置于卜口河下游，距離匯口2.7 km，壩軸線方位角為NW51.25°，壩軸線長210 m。大壩壩型為C15碾壓混凝土重力壩。大壩左右兩岸為非溢流壩段，河床段為溢流段。

非溢流壩段布置在溢流壩段兩側，左岸非溢流壩段長75.34 m，右岸非溢流壩段長106.28 m，溢流壩段長28 m。上游壩坡上部垂直，下部為1∶0.2，折點高程為275.0 m，下游壩坡1∶0.8，折坡點高程288.0 m。河床壩基開挖至弱風化上部基巖，壩基最低高程235.0 m。壩頂高程293.0 m，最大壩高58.0 m，壩頂寬度6 m，最大壩底寬56.4 m。為提高壩體深層抗滑穩定，壩踵處設置5 m寬，2 m厚齒墻。

溢流壩段布置在壩身河床段，為有閘控制的開敞式溢洪道，堰頂高程284.0 m，溢流前沿凈寬18 m，最大單寬流量為42.94 m3/s。進口設置6 m×6 m弧形工作門三扇。閘門孔間閘墩厚度3 m，堰頂上游為三圓弧曲線，圓弧半徑分別為3345 mm、1338 mm、268 mm，下游為WES冪曲線，曲線方程為y=0.099x1.85。泄槽底坡同大壩下游壩坡一致，為1∶0.8，泄槽寬24 m，邊墻高4 m，泄槽末端圓弧段半徑為15 m，轉彎角度51.34°，消力池底板高程250.0 m，出口采用底流消能，消力池長45 m，高13.5 m。

壩內251.0 m高程設有灌漿排水廊道，該基礎廊道在平面上沿壩軸線布置，兩岸通過斜廊道升至270.0 m高程，與壩后交通連接，廊道上游壁距壩軸線2.0 m，其斷面形式為城門洞形，為排除透過帷幕的滲水及基巖裂隙水，在灌漿廊道內布置排水孔，孔深為帷幕孔深的0.5倍，孔距3 m，鉆孔傾向下游，傾角10°。排水孔采用鉆孔方式形成φ76排水孔，將滲水排入廊道內集水井，再抽排至下游河床。

壩體碾壓混凝土設計強度采用90 d齡期C15三級配碾壓混凝土，根據防滲需要，壩體二級配碾壓抗滲混凝土厚度為1.5 m～3.0 m，抗滲等級為W6，強度為C20。二級配抗滲碾壓混凝土與壩體三級配碾壓混凝土同倉上升碾壓。壩體迎水面采用C20二級配變態混凝土護面，兩岸岸坡與基巖接觸的墊層采用相同的二級配變態混凝土澆筑，下游面采用C20三級配變態混凝土澆筑，上、下游面變態混凝土層厚度均為50 cm。壩頂采用50 cm厚C20二級配常態混凝土鋪筑，作為壩頂防水層，同時使壩頂平坦。重力壩材料分區材料見表1。

表1 壩體分區材料統計表

4 基礎處理

壩區分布地層巖性河床至左岸坡巖性為寒武系下統耙郎組二段第二層(∈1p2-2)灰、深灰色薄層含鈣和粉砂泥質板巖，夾薄層泥質灰巖；耙郎組二段第一層(∈1p2-1)灰綠、黃綠色板狀頁巖，右岸為寒武系下統清虛洞組一段(∈1q1)灰、深灰色薄層泥質灰巖，河床發育一條斷層，斷層破碎帶寬2.5 m～4.0 m，兩側影響帶寬右岸一側約3 m～5 m。結合壩體結構對地基要求，大壩建基面開挖深度及開挖形狀，根據可利用基巖等高線擬定在弱風化巖體上部，一般基巖開挖深度約10 m～15 m。岸坡壩段壩高逐漸減小，利用基巖標準相對可以降低，受到河床斷層影響，在斷層帶垂直開挖深度約20 m～28 m左右，斷層處刻槽換填C15砼處理。

斷層開挖深度采用美國墾務局經驗公式：d=0.002×b×H+5(單位英尺)，斷層破碎帶寬度按4 m計算，計算d=9.2英尺，折算約3 m，根據《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2018)7.5.2條，混凝土塞的深度可采用1.0～1.5倍斷層破碎帶的寬度，設計取斷層開挖深度為4 m，考慮兩側影響，破碎帶處理范圍擴寬至10 m，壩基上游延伸10 m，壩基下游延伸4 m作為砼換填處理范圍。兩側外的斷層影響范圍內壩基采用固結灌漿處理，防滲帷幕采用加密處理方式，帷幕灌漿采用3排孔布置。對大壩基礎進行固結灌漿，灌漿孔間排距3 m，帷幕灌漿前深入基巖8 m，其余深入基巖5 m，間距3 m，梅花形布置。

5 深層抗滑穩定分析

根據裂隙分布情況，左岸主要發育有①N60°～70°E/SE∠60～70°；②N70°～80°W/∠90°；③N30°W/SW∠70°～80°；④N10°～20°E/SE∠60°～70°四組裂隙；右岸主要發育有⑤N80°W/∠90°；⑥N10°E/∠90°兩組裂隙。不存在順河向緩傾上游裂隙，且裂隙均為陡傾裂隙，巖層產狀為緩傾5°向下游偏右岸，故該重力壩深層抗滑模式為沿層面，剪斷下游巖體滑出。根據地質分析，左岸段以②、③組橫向裂隙為拉裂面，①、④組裂隙為側滑面，層面為底滑面剪斷巖體滑出；河床段以②、③、⑤組橫向裂隙為拉裂面，①、②組裂隙為側滑面，斷裂帶為底滑面剪斷巖體滑出；右岸段以⑤組橫向裂隙為拉裂面，⑥組裂隙為側滑面，層面為底滑面剪斷巖體滑出。斷層破碎帶寬度僅為2.5 m～4.0 m，考慮采用換填處理，處理寬度10 m，故河床段考慮以巖層層面為底滑面，②、③、⑤組裂隙均為陡傾裂隙，選取第③N30°W/SW∠70°～80°組裂隙為拉裂面進行計算，同時考慮下游以一定角度剪斷巖體進行抗滑穩定驗算。

a.計算原則及假定

①計算按單寬進行；

②計算時不考慮上游拉脫面的“抗拉”作用，上游靜水壓力按延伸到拉脫面與層面的交點；

④不考慮側滑面的作用；

⑤作用于底滑面上的滲透壓力于壩基排水孔處考慮折減，折減系數α=0.25；

抗剪斷計算公式：

b.計算方法

按《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2018)附錄E中“等安全系數法”公式。采用剛體極限平衡法，假定ABD和BCD塊同時達到臨界平衡狀態(見圖1)，分別計算AB、BC的抗滑穩定系數K1，K2。

圖1 雙滑動面示意圖

式中：W為作用于壩體上全部荷載的垂直分值(不包括揚壓力)；H為作用于壩體上全部荷載的水平分值；A1，A2分別為AB，BC的面積；α，β分別為AB，BC面的水平夾角；G1為壩基與滑動面間巖體自重；G2為下游側滑動面上巖體自重及作用于巖體上的水壓力；U1，U2，U3分別為作用于AB，BC，BD面上的揚壓力；Q，φ分別為BD面上的作用力，及其與水平面的夾角(取0°)。

用等安全系數法計算，K1=K2。

假設下游巖體剪斷角度為25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°幾種情況進行計算。非溢流壩段、溢流壩段示意圖見圖2。

圖2 深層滑動模式示意圖

計算結果見表2。

表2 安全系數計算結果表

由表2可知，假設下游巖體剪斷角度為25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°等五種情況時，最不利組合為40°，基本組合工況>3.0，特殊組合工況>2.5，抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

6 結論

(1)對于壩基巖層傾角較緩的或存在軟弱夾層的，大壩可能會沿巖層層面或夾層層面產生深層滑動，沿一定角度剪斷下游巖體發生滑動破壞，對于這類巖層建基面，目前只能通過不同角度試算分析找出BCD塊抗力傾角β的最不利取值。具體如何選取合理的β角度有待于進一步深入研究。

(2)對于河床存在斷層的建基面，可根據斷層發育情況確定基礎處理措施，對于破碎不嚴重的斷層，可以用混凝土塞換填方式進行基礎處理，換填范圍可以根據規范要求確定。