會昌縣石陂水庫新建埋石混凝土重力壩設(shè)計分析

劉 福

(會昌縣水利工程技術(shù)保障中心，江西 贛州 342600)

1 工程概況

會昌縣石陂水庫位于高排鄉(xiāng)南田村，距會昌縣城39km，壩址位于濂水二級支流、高排河一級支流石陂河中上游，壩址以上集水面積3.4km2。水庫正常蓄水位為335.00m,相應(yīng)庫容為179萬m3；校核洪水位為337.03m，相應(yīng)庫容為208萬m3，是一座以灌溉和供水為主的小⑴型水利樞紐工程，工程等別為Ⅳ等。

工程建成后，供水人口約0.8萬人，灌溉農(nóng)田200.00hm2，解決了高排鄉(xiāng)石陂、珠方圓等村的灌溉和供水需求，新建該工程是十分必要的。

2 壩型選擇

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，初擬了埋石混凝土重力壩與細石混凝土砌塊石重力壩兩種壩型，分別進行地質(zhì)條件、工程布置、施工條件、工程管理、經(jīng)濟方面的比選。

2.1 埋石混凝土重力壩方案布置

埋石混凝土重力壩樞紐主要由擋、泄水建筑物等組成。建筑物沿壩軸線“一”字排開，從左至右布置了左岸非溢流壩壩段、放水孔壩段、溢流壩壩段、輸水取水口壩段和右岸非溢流壩壩段。壩頂高程338.08m，壩頂總長154m，其中左岸非溢流壩壩段長45m、放空孔壩段長15m、溢流壩壩段長13m、輸水取水口壩段長15m、右岸非溢流壩壩段長66m。

左、右岸非溢流重力壩采用C15埋石混凝土重力壩。壩頂高程338.08m，壩頂寬5m。左、右岸非溢流重力壩最大壩高為40.08m。重力壩上游面317.50m高程以上為鉛直面，以下為1∶0.2的斜坡面，下游332.00m高程以上為鉛直面，332.00m高程以下為1∶0.85的斜坡面。

溢流壩段布置在大壩中部，為無閘控制表孔溢流，溢流壩段全長13m，設(shè)1孔溢流，溢流凈寬10m，堰頂高程335.00m(正常蓄水位)，溢流壩建基面高程295.00m，壩頂高程338.08m，最大壩高43.08m。溢流堰上游面317.50高程以上鉛直，以下為1∶0.20的斜坡面；下游坡1∶0.85。溢流壩采用挑流消能，基礎(chǔ)混凝土采用C20混凝土，壩體采用C15埋石混凝土，堰面混凝土采用C25混凝土。

放空孔壩段緊鄰溢流壩的左岸布置，最大壩高43.08m。放空孔進口高程306.50m，孔口尺寸為長×寬為2.5×2.5m。放空孔進口壩頂設(shè)置啟閉排架，啟閉平臺高程為338.08m。

輸水取水口壩段緊鄰溢流壩的右岸布置，最大壩高43.08m。輸水取水采用壩前壩內(nèi)埋管分層取水，共分兩層取水，兩層均為一直徑0.8m鋼管進水，頂層取水管中心線高程為320.00m，底層取水管中心線高程為314.00m。壩內(nèi)埋管襯砌鋼板厚度10mm。

2.2 細石混凝土砌塊石重力壩方案布置

細石混凝土砌塊石重力壩樞紐同樣由擋、泄水建筑物等組成。樞紐建筑物在壩軸線上布置與混凝土重力壩布置一致，擋、泄水建筑物結(jié)構(gòu)斷面尺寸也基本同埋石混凝土重力壩結(jié)構(gòu)尺寸，僅是將埋石混凝土重力壩中的C15埋石混凝土采用C15細石混凝土砌塊石替代，其余結(jié)構(gòu)相同。

2.3 壩型選擇

地質(zhì)條件：兩個壩型均為重力壩方案，壩基均座落于弱風(fēng)化上帶基巖上，兩岸壩肩局部嵌入強風(fēng)化巖體中，兩個壩型地基應(yīng)力基本相近。從地質(zhì)條件方面看，埋石混凝土重力壩與細石混凝土砌塊石重力壩兩種壩型基本無差別。

洪水標準：兩個壩型設(shè)計洪水標準均采用30a一遇，校核洪水標準均采用300a一遇。

施工條件：兩個壩型均為重力壩，具有樞紐建筑物組成簡單、施工導(dǎo)流難度小、運行管理方便的優(yōu)點。其中細石混凝土砌塊石重力壩方案的砌石壩體需要靠人工砌筑，不適用機械作業(yè)，壩體砌石方量比重較大，所需要的工期更長；而埋石混凝土重力壩施工時僅需少量人工擺放好塊石，然后可采用機械澆筑，所需要的工期更短，從施工進度方面埋石混凝土重力壩具有明顯優(yōu)勢[1]。

工程運行管理方面：重力壩在樞紐建筑物布置集中，建筑物運行管理方便、安全可靠；從工程運行管理方面看兩種壩型均無明顯優(yōu)勢。

表1 埋石混凝土重力壩和砌石重力壩主要工程量和投資比較表

經(jīng)濟比較：兩個方案樞紐布置一樣，主要對兩個方案的主體建筑物工程投資進行了比較，具體見表1。

綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，埋石混凝土重力壩較砌石重力壩投資多26.90萬元，工程部分投資基本相當(dāng)，但是從施工條件和工期方面考慮，埋石混凝土重力壩方案不需大量人工砌石作業(yè)，有利于機械施工，施工工期短，故設(shè)計推薦采用埋石混凝土重力壩方案。

3 工程總布置

樞紐建筑物主要為埋石混凝土重力壩。大壩壩址位于石陂河中上游，布置在會昌縣高排鄉(xiāng)田尾村石陂小組。考慮到大壩右岸階地現(xiàn)已建有供水管道，相應(yīng)的大壩輸水取水口壩段也布置在大壩右岸，根據(jù)水庫供水任務(wù)和保證下泄最小生態(tài)基流的要求，在取水口壩段壩后設(shè)置分岔管分別接供水管和灌溉管及生態(tài)需水管。根據(jù)壩址處河流和下游地形條件，溢流壩布置在大壩中部的位置。新建上壩公路1.0km，布置在大壩下游左岸，與現(xiàn)有公路連接。

石陂水庫樞紐建筑物主要由擋、泄水建筑物組成。沿壩軸線樞紐建筑物按“一”字排開，從左至右依次布置左岸非溢流壩壩段(45m)、放水孔壩段(15m)、溢流壩壩段(13m)、輸水取水口壩段(15m)和右岸非溢流壩壩段(66m)，壩頂長154m，壩頂高程338.08m，最大壩高43.08m。其中取水口采用分層取水布置結(jié)構(gòu)，取水涵管為壩體埋設(shè)DN800鋼管，頂層取水涵管中心線高程為320.00m，底層取水涵管中心線高程為314.00m，放空沖砂孔底高程為306.50m，孔口尺寸為2.5m×2.5m。

4 主要建筑物設(shè)計

4.1 溢流壩設(shè)計

溢流壩段布置在大壩中部，為無閘控制表孔溢流。為減少水庫淹沒損失，滿足水庫泄洪，經(jīng)過調(diào)洪試算，溢流壩段全長13m，設(shè)1孔溢流，溢流凈寬10m，其中溢流壩邊墩厚1.5m。溢流堰按WES實用堰設(shè)計，堰頂高程335.00m(正常蓄水位)，WES曲線上游接三圓弧曲線，下游接1∶0.85斜坡，斜坡后接反弧挑流消能段，反弧半徑12m，挑射角25°，挑流鼻坎高程311.50m。溢流堰體上游面上部為鉛直，317.50m高程以下為1∶0.2斜面。溢流壩壩體均座落在弱風(fēng)化巖體上，建基面高程287.5.00m。溢流壩壩頂設(shè)置5m寬的交通橋，橋面高程338.08m。

溢流壩為C15埋石混凝土重力壩，壩體采用C15埋石混凝土，壩體基礎(chǔ)采用C20混凝土，壩體上游面為2.0m厚C20混凝土防滲面板，溢面堰面采用C25混凝土澆筑。

4.2 左、右岸非溢流重力壩設(shè)計

左、右岸非溢流重力壩段長分別為45m、66m，壩頂高程338.08m，壩頂寬5m。左岸非溢流重力壩最大壩高為38.08m，右岸非溢流重力壩最大壩高為40.08m。重力壩上游面317.50m高程以上為鉛直面，以下為1∶0.2的斜坡面，下游332.00m高程以上為鉛直面，332.00m高程以下為1∶0.85的斜坡面。

左、右岸非溢流壩采用C15埋石混凝土重力壩，壩體采用C15埋石混凝土，壩體基礎(chǔ)采用C20混凝土，壩體上游面為C20混凝土[2]。

4.3 沖砂放空孔壩段

為了解決特殊時期水庫放空的問題，在緊鄰溢流壩的左岸設(shè)放空孔以備使用，放空孔壩段長15m。放空孔可兼作沖砂孔使用。

放空孔進口高程306.50m，孔口尺寸為長×寬為2.5×2.5m。放空孔進口壩頂設(shè)置啟閉排架，啟閉平臺高程為342.50m。放空孔進口設(shè)工作閘門，為潛孔式平面滾動鋼閘門，采用螺桿啟閉機動水啟閉。

4.4 輸水取水口壩段

輸水取水口所在壩段長15m，壩底高程295.00-298.00m。

輸水取水采用壩前壩內(nèi)埋管分層取水，共分兩層取水，兩層均為一直徑0.8m鋼管進水，頂層取水管中心線高程為320.00m，底層取水管中心線高程為314.00m；兩層取水管穿過壩體后，沿下壩面接入蝶閥控制房內(nèi)后合并成一根直徑0.8m鋼管，埋管中心線高程為306.50m，出口連接分岔管，分布接入供水管道和生態(tài)需水管。壩內(nèi)埋管襯砌鋼板厚度10mm。

4.5 基礎(chǔ)處理

基礎(chǔ)處理的主要措施為：基礎(chǔ)開挖、帷幕灌漿、固結(jié)灌漿、壩基排水等。

1)基礎(chǔ)開挖：

原料：面粉約320 g，人造奶油108 g，雞蛋 1 個，水約 50 g，鹽 5 g，檸檬酸少許。肉（魚肉、牛肉、豬肉、羊肉皆可）或蘑菇 200 g，蔥、胡椒粉等各適量。

該工程最大壩高43.08m，為使壩體穩(wěn)定及承載力滿足要求，根據(jù)壩址地質(zhì)情況，并結(jié)合該工程布置情況，左岸壩體基本坐落在弱風(fēng)化層，河床基礎(chǔ)坐落在弱風(fēng)化層，右岸壩基基礎(chǔ)坐落在弱風(fēng)化層或強風(fēng)化層上或全風(fēng)化層上。

2)帷幕灌漿：

根據(jù)規(guī)范壩高在50m以下的壩巖體以透水率q=5Lu作為相對不透水層，石陂水庫最大壩高43.0m，因此取下限透水率q≤5Lu作為相對不透水層，工程存在壩基滲漏和繞壩滲漏問題，需進行帷幕灌漿處理。帷幕灌漿布置在壩基上游側(cè)，灌漿孔距2.0m，灌漿孔深入相對于透水層以下5.0m，防滲帷幕分別向左、右岸壩肩各延伸50m。

3)固結(jié)灌漿：

根據(jù)地質(zhì)勘察，壩基基巖受斷裂構(gòu)造影響，裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差，擬進行固結(jié)灌漿加固處理，固結(jié)灌漿孔排距和孔距均為3m，平面上呈梅花形布置，灌漿孔深入壩基8.0m。

4)壩基排水：

為進一步降低壩基滲透壓力，在防滲帷幕后設(shè)置壩基排水孔。排水孔位于壩軸線下游3.0m，排水孔孔距2.5m，孔深為帷幕深度的0.6倍。壩基排水孔與壩體橫向排水管連接直接排至下游河床。

4.6 設(shè)計計算

4.6.1 壩頂高程計算

壩頂高程分別計算正常蓄水位及校核洪水位兩種情況，計算公式：壩頂高程=正常蓄水位或校核洪水位+Δh。計算結(jié)果見表3。

表3 壩頂高程計算成果表

根據(jù)表3中計算結(jié)果，壩頂高程由校核洪水位控制，計算壩頂高程為337.768m。根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)布置，溢流壩壩頂設(shè)有交通橋，規(guī)范要求交通橋下部應(yīng)有足夠的凈空，綜合考慮溢流壩壩頂交通橋結(jié)構(gòu)布置,本階段最終選定壩頂高程為338.08m[3]。

4.6.2 溢流壩泄流能力計算

溢流壩為無閘控制， 溢流堰泄流能力按WES型實用堰計算，計算結(jié)果見表4。

表4 溢流壩泄流曲線計算成果表

4.6.3 溢流壩及非溢流壩壩基面穩(wěn)定和應(yīng)力分析

根據(jù)樞紐布置特點和大壩各溢流壩和非溢流壩剖面設(shè)計，分別選擇了2個最高壩體剖面進行大壩穩(wěn)定和壩基應(yīng)力分析計算，即溢流壩段(單位寬度)和非溢流壩斷面1(單位寬度，弱風(fēng)化基礎(chǔ)，最大壩高43.08m)。

溢流壩及非溢流壩最大壩高壩體均座落在弱風(fēng)化層上。混凝土與弱風(fēng)化巖體物理力學(xué)指標f′取0.62，C′取450kPa。大壩抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力計算成果表見表5。

表5 大壩穩(wěn)定應(yīng)力計算成果表(有帷有排)

計算成果表明，溢流壩和非溢流壩穩(wěn)定和應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

埋石混凝土重力壩和細石混凝土砌塊石重力壩在地質(zhì)條件、工程運行管理方面均無明顯差別，但從施工角度比較，埋石混凝土重力壩方案具有無需大量人工砌石作業(yè)、可采用機械施工，施工工期短，造價相對較低等明顯優(yōu)勢，故設(shè)計推薦采用埋石混凝土重力壩壩型方案。

結(jié)合水庫特征水位，經(jīng)計算確定壩頂高程為338.08m。不同運行工況下，溢流壩及非溢流壩穩(wěn)定應(yīng)力計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，設(shè)計方案合理。石陂水庫大壩為新建埋石混凝土重力壩，設(shè)計思路及設(shè)計方法均與水庫大壩除險加固不同，可供新建水庫工程參考。