野豬坑水庫結構及大壩設計計算分析

肖天禮

(江西省贛州市贛縣區水利局，江西 贛州 341100)

根據防洪相關規定可以得知：山區、丘陵區水庫工程5級建筑物防洪標準為：設計洪水標準50～30a一遇，校核洪水標準500～200a一遇(混凝土壩)。由于野豬坑水庫大壩庫容在工程等別分類中處于下限，因此，需要在設計過程中，首先針對洪水情況，對其上限進行判斷。在本研究中，假設30a一遇為洪水的主要標準，而校核洪水假設200a一遇。溢流壩消能防沖設計洪水標準：10a一遇。由于大壩(船底窩)屬于山塘，設計確定各大建筑物洪水標準的下限數值，與野豬坑水庫大壩存在一定差異，洪水以及校核洪水的兩項假設指標數值可以設計為20a以及100a。整體上比前者的年限要短。溢流壩消能防沖設計洪水標準：10a一遇。

1 大壩工程結構

新建野豬坑小(2)型水庫一座，其中建設野豬坑78m長重力壩一座、船底窩40.5長重力壩一座,野豬坑水庫由野豬坑水庫大壩和船底窩山塘大壩組成，野豬坑水庫大壩和船底窩山塘大壩由連通管相連。

1.1 野豬坑水庫大壩結構

大壩采用重力壩，由左、右岸非溢流壩、溢流壩組成。大壩總長76.00m，成“一”字型布置。

按《混凝土重力壩設計規范》要求“非溢流壩段的壩頂寬度≥3.0m”。結合非溢流壩壩體穩定計算結構要求，取壩頂寬5.0m。左、右岸重力壩段長分別為36.0m、27.0m，壩頂高程189.9m，壩頂寬5.0m，左、右岸重力壩最大壩高均為29.4m。重力壩上游面179.0m高程以上為鉛直面，以下為1:0.1的斜坡面；下游184.5m高程以上為鉛直面，以下為1:0.75的斜坡面。

重力壩壩基設1.0m厚C25混凝土底板，臨水面設1.0m厚C25混凝土防滲面板，壩體采用C15埋石混凝土澆筑[1]。

根據布置情況左岸非溢流壩長36m，溢流壩長13m，右岸非溢流壩長27m。大壩共設4條橫縫，左岸非溢流壩分為2段，長度均為18.0m，右岸非溢流壩分為2段，長度分別為14.0、13.0m，分縫縫寬均為20mm，縫間上游設紫銅片止水，縫間用瀝青杉板嵌縫。

1.2 船底窩山塘大壩結構

大壩采用重力壩，由左、右岸非溢流壩、溢流壩組成。大壩總長40.5m，成“一”字型布置。

按《混凝土重力壩設計規范》要求,結合非溢流壩壩體穩定計算，左、右岸重力壩段長分別為13.16m、20.34m，壩頂高程189.9m，壩頂寬4.0m，左、右岸重力壩最大壩高均為14.9。重力壩上游面181.0m高程以上為鉛直面，以下為1:0.1的斜坡面；下游185.0m高程以上為鉛直面，以下為1:0.65的斜坡面。

重力壩壩基設1.0m厚C25混凝土底板，臨水面設1.0m厚C25混凝土防滲面板，壩體采用C15埋石混凝土澆筑。

根據布置情況大壩全長40.5m，溢流壩長7m，左岸非溢流壩長13.16m，右岸非溢流壩長20.34m。大壩設1條橫縫，右岸非溢流壩分為1段，長度分別為20.34m；左岸非溢流壩和溢流壩為1段，長20.16m。分縫縫寬為20mm，縫間上游設紫銅片止水，縫間用瀝青杉板嵌縫。

野豬坑水庫為供水水源，野豬坑水庫大壩由壩式取水口取水，引水鋼管從取水口壩后引出，在距左岸非溢流壩壩腳約20m處與原PE管相接。

1.3 溢流壩消能方式選擇

本工程上、下游水位差較大，可考慮采用挑流消能或底流消能。采用底流消能方式，會使溢流壩斷面加大，且消力池較長，土石方開挖及混凝土方量大，造價較高。挑流消能結構簡單，造價相對底流消能較少，并且溢流壩下游巖石條件能滿足挑流消能的要求，因此推薦采用挑流消能方式。

2 大壩設計計算

2.1 壩頂高程計算

壩頂高程計算采用《混凝土重力壩設計規范》規定的公式計算：

計算公式：水庫大壩最低點到大壩頂端高度=水庫抽水前的地下水位+Δh

Δh=h1%+hz+hC

(1)

式中：Δh為壩頂距水庫靜水位的高差，m；h1%為波高，m；hz為波浪中心線位置至至水庫靜水位高度，m；hC為各建筑物頂部超出標準水位的高度，m。

大壩為4級建筑物，設計波高采用累積頻率為1%的波高h1%。波浪的波高和平均波長采用官廳水庫公式計算：

(2)

波浪中心線至計算水位的高差按下式計算。

(3)

式中：H為擋水建筑物迎水面前的水深，m。

壩頂高程分別計算正常蓄水位及校核洪水位兩種情況。野豬坑水庫大壩壩頂高程計算成果表，見表1；船底窩山塘大壩壩頂高程計算成果表，見表2。

表1 野豬坑水庫大壩壩頂高程計算成果表

表2 船底窩山塘大壩壩頂高程計算成果表

根據表1、表2中計算結果，壩頂高程由校核洪水位控制，確定壩頂高程為189.90m。

2.2 溢流壩泄流能力計算

溢流壩布置在河床中部，溢流堰為WES堰，無閘控制，其泄流能力計算公式為：

(4)

式中：Q為泄流流量，m3/s；σs為淹沒系數，取為1.0；ε為側收縮系數；m為流量系數；n為孔數；b為單孔凈寬，m；H0為計入行近流速水頭的堰上水頭，m。

溢流壩泄流能力計算結果，野豬坑水庫大壩溢流壩泄流曲線表，見表3；船底窩山塘大壩溢流壩泄流曲線表，見表4。

表3 野豬坑水庫大壩溢流壩泄流曲線表

表4 船底窩山塘大壩溢流壩泄流曲線表

2.3 溢流壩和非溢流壩穩定以及應力分析

由大壩的具體分布特點和各個切面的實際設計可知，野豬坑水庫大壩溢流壩選取整個壩段；非溢流壩選擇1個計算斷面，為最大壩高斷面(取單寬)。船底窩山塘大壩溢流壩選取整個壩段及左岸非溢流壩；右非溢流壩選擇1個計算斷面，為最大壩高斷面(取單寬)。

壩基面穩定和應力計算應采用《混凝土重力壩設計規范》規定的公式計算[1]。

基于相應規范進行計算后，得到如下結果：

巖體物理力學指標：弱風化變質砂巖抗剪系數f=0.52，抗剪斷系數f′=0.72，凝聚力c′=450KPa。考慮排水有效時滲透壓力強度系數河床壩段0.25，岸坡壩段0.35；考慮排水無效時滲透壓力強度系數0.6。野豬坑水庫大壩穩定應力計算成果，見表5；大壩穩定應力計算成果表，見表6。

表5 野豬坑水庫大壩穩定應力計算成果表

表6 大壩穩定應力計算成果表

根據表5、表6中計算結果表明，大壩各壩段壩基面穩定和應力均滿足要求。

2.4 下游消能防沖計算

為了明確下游消能防沖情況，需要首先掌握挑距以及沖刷坑最大深度兩項指標。在此基礎上，沖刷坑上游坡度計算公示為：

i=t/L

(5)

式中：i為沖刷坑上游坡度。

當基本上每10a遭遇一次的泄水泄洪事件發生時，野豬坑水庫大壩i=1.93/20.65=1/10.65，船底窩水庫大壩i=1.18/22.70=1/19.23。沖刷坑許可的最大后坡iK=1/2.5～1/5。由于均i

3 大壩安全監測設計

3.1 變形監測

垂直位移觀測采用精密水準儀法，水平位移觀測采用視準線法，具體布置為：在壩頂靠近上游側設置1條視準線，視準線上設置位移標點、兩岸壩肩設置各1個工作基點和1個校核基點。

3.2 壩基揚壓力及壩肩滲漏監測

大壩壩基揚壓力及壩肩繞壩滲漏采用埋設測壓管進行監測。

3.3 大壩水位觀測采用水尺測量。

1)大壩上游的水位觀測，在離大壩上游約50m處設置水尺。

2)主要檢查項目為：①大壩頂端是否存在裂痕、與正常不符合的變形狀況、存有積水或者植物生長影響大壩使用等現象；②大壩的各個坡面以及大壩地基是否存在裂縫或者積水滲水現象。

4 結 語

文章介紹了該項工程在促進資源綜合利用方面的重要作用。通常情況下，可以通過水庫選擇較高蓄水水位，進而對天然水能源進行充分利用，切實提升自然資源的利用效率，避免造成資源浪費等不當行為。投入到建設當中的新工程不會對天然水源的水質造成直接影響。因此，下放環境水的水源仍然可以在下游其他用水中使用，并且滿足用水需求，促進綜合利用價值的有效提升。