觀音巖水庫(kù)工程特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

錢雪晉，周 華，王嘉斌

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

觀音巖水庫(kù)位于水城縣阿戛鄉(xiāng)仲河村，距水城縣58.5km，距阿戛鄉(xiāng)約16.5km。水庫(kù)總庫(kù)容2167萬(wàn)m3，正常蓄水位1430m，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。工程主要任務(wù)為工業(yè)供水、灌溉及人畜飲水，兼顧發(fā)電。

水源樞紐工程主要建筑物由碾壓混凝土拱壩、壩頂開敞式溢洪道、右岸壩身放空底孔、右岸供水發(fā)電取水口、1#及2#崩塌體處理組成。碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩壩頂高程1434m，最大壩高107m；溢洪道沿拱壩中心線對(duì)稱布置，設(shè)3孔5m×5m弧形閘門，最大泄流量586m3/s；放空底孔布置在溢流壩段的右側(cè)，最大運(yùn)行水頭55m；取水口緊鄰底孔右側(cè)布置，分別設(shè)置攔污柵、分層取水隔水閘門及工作閘門，隔水閘門共4層；1#崩塌堆積體位于左壩肩下游，清除后確保大壩泄洪及廠房安全；2#崩塌堆積體位于右岸上游，采取削坡減載、棄渣回填壓腳及修建重力式擋土墻的綜合優(yōu)化處理措施。

2 復(fù)雜地形地質(zhì)條件下，巧妙解決狹窄河谷區(qū)高壩大庫(kù)的樞紐布置

大壩河床寬度僅6-12m，河谷寬高比1.82。左岸下游分布1#崩塌堆積體，右岸上游分布2#崩塌堆積體，且兩者相距較近。壩址從上游至下游依次出露T1yn2-2泥巖厚度25m、T1yn2-1泥灰?guī)r厚度5m； T1yn1-3灰?guī)r厚度84m、T1yn1-2泥灰?guī)r厚度58m、T1yn1-1泥灰?guī)r厚度10m； T1f2-2粉砂質(zhì)泥巖厚度144m。其中僅T1yn1-3灰?guī)r滿足拱壩持力層的要求。為此，通過一系列勘測(cè)研究，精準(zhǔn)定位各地層的分界及1#、2#崩塌堆積體的邊界線。在有限T1yn1-3灰?guī)r范圍內(nèi)布置拱壩等樞紐建筑物，使其盡可能遠(yuǎn)離左岸下游的1#崩塌堆積體，又同時(shí)確保樞紐建筑物的開挖不影響右岸上游的2#崩塌堆積體，最終，選定拱壩壩軸線距下游1#崩塌堆積體50m，距上游2#崩塌堆積體20m，放空底孔、取水口等樞紐建筑物集中布置于右岸。

3 拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 采用非全徑向面優(yōu)化設(shè)計(jì)

大壩采用C9020碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，最大壩高107m，拱冠梁處頂厚6.0m，底厚24.0m，厚高比0.229，壩頂中心弧長(zhǎng)247.988m。施工圖設(shè)計(jì)通過優(yōu)化拱端嵌深、中心角等幾何參數(shù)，進(jìn)行拱壩體型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)拱壩拱端采用非全徑向面設(shè)計(jì)，節(jié)省壩肩開挖量及壩體混凝土工程量約2.4萬(wàn)m3。

樞紐布置圖，見圖1；拱端尺寸表，見表1；拱端示意圖，見圖2。

圖1 樞紐布置圖

表1 拱端尺寸表

3.2 復(fù)雜地質(zhì)條件下高拱壩應(yīng)力、變形分析

工程具有壩體高度高，兩岸地形坡度陡峻，壩址地層巖性復(fù)雜，壩肩T1yn1-3灰?guī)r內(nèi)分布兩條較為發(fā)育的泥灰?guī)r夾層，大壩下游分布T1yn1-2、T1yn1-1、T1f2-2軟巖等特點(diǎn)。為此，采用三維有限元分析方法，對(duì)拱壩的應(yīng)力、穩(wěn)定、變形進(jìn)行了深入研究。

正常蓄水位+設(shè)計(jì)溫降計(jì)算工況下，考慮兩壩肩下游泥灰?guī)r夾層的影響后，受拉區(qū)主要分布在左右兩壩肩及壩踵區(qū)域，上下游壩面第一、第三主應(yīng)力大部分表現(xiàn)為受壓；最大主拉應(yīng)力發(fā)生在1329m上游面拱底中部區(qū)域，等效應(yīng)力0.823MPa；最大主壓應(yīng)力發(fā)生在1329m高程下游面拱底中部區(qū)域，等效應(yīng)力3.913MPa。考慮兩壩肩下游泥灰?guī)r夾層的影響與不考慮相比，最大拉應(yīng)力增加0.02MPa，增幅0.427%，最大壓應(yīng)力無變化，最大位移增加0.1mm，增幅0.323%。

校核洪水位+設(shè)計(jì)溫升計(jì)算工況下，考慮兩壩肩下游泥灰?guī)r夾層的影響后，受拉區(qū)主要分布在左右兩壩肩及壩踵區(qū)域，上下游壩面第一、第三主應(yīng)力大部分表現(xiàn)為受壓；最大主拉應(yīng)力發(fā)生在1329m上游面拱底中部區(qū)域，等效應(yīng)力1.139MPa；最大主壓應(yīng)力發(fā)生在1340m高程下游面左拱端區(qū)域，等效應(yīng)力4.868MPa。考慮兩壩肩下游夾層的影響與不考慮相比，最大拉應(yīng)力增加0.02MPa，增幅0.465%，最大壓應(yīng)力增加0.01MPa，增幅0.122%，最大位移增加0.05mm，增幅0.242%。

綜上，經(jīng)有限元計(jì)算，與拱壩下游為完整基巖相比，下游兩岸有夾層時(shí)，夾層對(duì)拱壩最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力、拱壩位移及拱壩各點(diǎn)應(yīng)力、變形分布規(guī)律等影響很小。因此，大壩下游兩岸夾層對(duì)壩體的應(yīng)力及穩(wěn)定影響不大，基本可以忽略。

3.3 高拱壩抗震設(shè)計(jì)

地震基本烈度Ⅶ度，采用三維有限元分析方法，應(yīng)用反應(yīng)譜動(dòng)力分析方法，并采用時(shí)程動(dòng)力法，分析地震作用下拱壩的地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及抗震安全性，為拱壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供科學(xué)依據(jù)。

動(dòng)靜應(yīng)力疊加后，壩體第一主應(yīng)力在中下部高程兩岸拱端上游側(cè)和拱冠梁壩踵側(cè)處均較大，在1360m高程右拱端上游側(cè)等效處理后拉應(yīng)力水平在1.5 MPa以內(nèi)；在壩踵處等效處理后在2.0 MPa以內(nèi)；在下游面拱冠梁底部區(qū)域拉應(yīng)力值也較大，等效處理后拉應(yīng)力水平在1.35 MPa以內(nèi)。壩體第三主應(yīng)力在拱冠梁頂部的上下游面都較大，在上游面達(dá)到最大，壓應(yīng)力水平在5.6 MPa以內(nèi)；下游壩面的中下部高程兩岸拱端處以及壩趾處壓應(yīng)力值也較大，其中在1360m高程右拱端極大，等效處理后在4.6MPa以內(nèi)。因此，拱壩在設(shè)計(jì)地震工況下的壩體應(yīng)力滿足規(guī)范控制要求。

3.4 拱壩建基面優(yōu)化

拱壩開挖至建基面高程附近時(shí)，根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況，結(jié)合基坑聲波測(cè)試判斷承載力滿足要求，可抬高大壩河床基礎(chǔ)高程0.5-2m。最大壩高由109m調(diào)整為107m，優(yōu)化后節(jié)省拱壩河床段基礎(chǔ)石方開挖及墊層混凝土工程量約0.4萬(wàn)m3及15d工期，效益顯著。

3.5 合理的拱壩分縫設(shè)計(jì)

分析拱壩施工期的溫度應(yīng)力，對(duì)拱壩的分縫方案進(jìn)行專門研究。采用三維有限元分析方法，仿真分析拱壩在施工期、蓄水期和正常運(yùn)行期的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為拱壩的分縫方案提供科學(xué)依據(jù)，成功的提出了指導(dǎo)施工的分縫設(shè)計(jì)方案、溫度控制標(biāo)準(zhǔn)和合理的溫控防裂措施。

大壩壩身設(shè)共設(shè)置 4條誘導(dǎo)縫，分別在壩0+030.00、壩0+095.985、壩0+180.985、壩0+224.988處，將壩體分為5個(gè)壩段，壩段長(zhǎng)度23-85m 不等。經(jīng)觀測(cè)，大壩裂縫總體可控，壩體質(zhì)量良好。

3.6 峽谷泄洪建筑物布置及消能研究

峽谷區(qū)高壩大庫(kù)泄洪消能本就具有較高的復(fù)雜性和難度。本工程泄洪水頭高、河谷狹窄而導(dǎo)致歸槽及消能問題復(fù)雜，下游消能防沖和水流霧化對(duì)1#崩塌堆積體及電站廠房的影響等問題突出。為此，經(jīng)溢洪道出口挑流鼻坎經(jīng)多次水力模型試驗(yàn)研究，采取梯形差動(dòng)式齒坎的設(shè)置，三個(gè)表孔挑流鼻坎的型式各不相同，最終使得溢流道出坎水流縱向拉開，增大了水舌的入水單寬面積，減小了入水水舌的單寬流量，從而降低了下游河床沖刷坑深度和兩岸岸坡下切深度。泄洪建筑物經(jīng)歷了3個(gè)水文年的多次泄洪考驗(yàn)，運(yùn)行性態(tài)良好。

4 采用“石料開釆-骨科加工-混凝土拌和-真空溜筒入倉(cāng)”垂直施工布置系統(tǒng)，解決深峽谷區(qū)施工布置難題

壩址河谷狹窄、工期短、混凝土高峰澆筑強(qiáng)度大，施工布置難度較大，經(jīng)過大量的方案比選及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，調(diào)整料場(chǎng)至右壩肩，不僅有效的降低了料場(chǎng)開采高程，還縮短運(yùn)距。同時(shí)由于2#崩塌體位于料場(chǎng)下方，將砂石料加工系統(tǒng)及混凝土拌合站布置在采取工程措施處理后的2#崩塌體上，更是將壩區(qū)有限的空間利用到極致，壩體混凝土澆筑施工也因此選用右壩肩真空溜筒入倉(cāng)方案，最大溜槽高差80多米。

從高到低形成“石料開采-骨料加工-混凝土拌和-真空溜筒入倉(cāng)”垂直施工布置系統(tǒng)，解決了深峽谷區(qū)施工布置難題。

5 合理優(yōu)化處理壩區(qū)崩塌堆積體

2#崩塌堆積體位于大壩右岸上游，距拱壩壩軸線約20m，規(guī)模約28.76萬(wàn)m3，堆積高度達(dá)148m，堆積體下部距取水口、底孔取水塔約10m。對(duì)2#崩塌堆積體進(jìn)行深入研究，經(jīng)過與施工方反復(fù)溝通，根據(jù)廠家提供的設(shè)備尺寸，在堆積體內(nèi)預(yù)留出滿足施工設(shè)備的平臺(tái)尺寸，對(duì)2#崩塌堆積體采取坡頂削坡減載并及時(shí)支護(hù)，坡腳棄渣回填壓腳并碾壓密實(shí)、修建重力式擋土墻的綜合優(yōu)化處理措施。水庫(kù)蓄水后，2#崩塌堆積至今穩(wěn)定，優(yōu)化處理措施取得成效。

6 體現(xiàn)節(jié)能節(jié)地和生態(tài)環(huán)保的先進(jìn)理念

取水口承擔(dān)供水、灌溉取水，發(fā)電引水，下放河道生態(tài)環(huán)境用水的任務(wù)。設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)理念，從農(nóng)作物良性生長(zhǎng)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)考慮，采用分4層的分層取水方式，確保在不同水位工況下，均可靈活取用表面常溫水，滿足農(nóng)業(yè)灌溉及河道魚類等動(dòng)植物良性生境需求，充分體現(xiàn)生態(tài)優(yōu)先理念。

7 結(jié) 語(yǔ)

觀音巖水庫(kù)最大壩高107m，是貴州省已建成的百米級(jí)碾壓混凝土雙曲拱壩，工程已開始發(fā)揮綜合效益。設(shè)計(jì)在工程施工中起到了良好的指導(dǎo)和控制作用，工程建成運(yùn)行情況顯示，各項(xiàng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)滿足要求。工程成功建設(shè)也為后續(xù)峽谷山區(qū)大中型水庫(kù)建設(shè)起到了積極示范和借鑒作用。