廣東省圓洞水庫工程中大壩工程設計研究

陸 明

（廣東河海工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510630）

0 引言

水庫工程在現代社會中具有重要的經濟、社會和環境意義。廣東省作為中國南方發達地區之一,其水資源管理和利用一直備受關注。圓洞水庫工程中,大壩工程設計起著至關重要的作用,作為水庫工程的核心部分,承擔著調節水量、防洪、供水和發電等功能。目前翁源縣其他水庫或因啟動設計復查及除險加固設計,或因工程歷時較長,供水完工后日漸不能滿足城區供水需求,縣政府及相關群眾飽受其擾；另一方面,考慮翁源縣城周邊水源,園洞水為城區供水的最優解。因此通過本文深入探討,可以為圓洞水庫大壩工程設計提供科學的理論依據和實踐指導,促進工程的安全可靠運行,提高水資源利用效率,為廣東省的經濟社會發展和生態環境保護做出貢獻,也可為類似水庫工程的設計和管理提供借鑒和參考[1]。

1 項目概況

園洞水庫是一座以供水為主、兼有灌溉功能的Ⅳ等小（1）型水利工程,位于廣東省韶關市翁源縣龍仙鎮東南方的園洞水流域上,園洞水是龍仙水的一級支流,園洞水全流域集雨面積為35.081 km2,干流河長為16.406 km,干流比降為2.04%,該流域發源于新豐縣合路口,經新豐秋洞入翁源縣,過翁源園洞后匯入龍仙水, 新豐縣境內集雨面積20.08 km2, 河長9.061 km,翁源縣境內部分均位屬青云山省級自然保護區范圍內。隨著翁源縣工農業的發展、人口數量的增加和當地城鎮生態環境發展,翁源縣過境水資源雖然充沛,但水質指標不穩定,而生活用水和高品質工農業用水日益增加,水資源利用率的要求不斷提高,躍進水庫的供水量已不堪重負,迫切需要新的供水水源以適應和滿足翁源縣現實和未來工農業、人口與城鎮發展的迫切要求。

2 大壩工程方案設計

2.1 工程等別、建筑物級別和相應洪水標準

園洞水庫正常蓄水位338.06 m,相應庫容816.22 萬m3,死水位302.06 m,相應庫容72.71 萬m3,興利庫容743.51 萬m3；設計水位與正常蓄水位相同,校核水位為338.27 m,相應總庫容為823.80 萬m3。根據《防洪標準》（GB 50201-2014） 及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）規定,園洞水庫工程規模為小（1）型,工程等別為Ⅳ等。工程由大壩、輸水洞及底孔等組成。主要建筑物級別為4 級,次要建筑物級別為5 級,臨時建筑物級別為5 級。本工程永久建筑物洪水設計標準為：主要擋水建筑物主壩按50 年一遇洪水設計,500 年一遇洪水校核；溢洪道消能工按20 年一遇洪水設計[2]。

2.2 壩型擬定

根據壩址工程地形地質條件、當地料源情況,本項目比選壩型為重力壩、拱壩。因此,本次擬定堆石混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩和混凝土拱壩、混凝土面板堆石壩四種壩型進行比較,具體見表1。

表1 壩型方案比較

綜合上述技術、經濟等各方面的分析比較,本階段壩型選擇堆石混凝土重力壩及其樞紐布置作為推薦方案。

2.3 堰頂閘門選擇

對于在溢流壩堰頂設置閘門的問題,考慮園洞水庫在豐水年時庫內水位有連續1 個月以上時間低于溢流堰頂高程332.06 m,平水年及枯水年庫水位有連續2 個月以上時間低于溢流堰頂高程332.06 m,可滿足閘門檢修要求,故不設檢修閘門,只需要在堰頂設置工作閘門。經過上述溢流堰布置方案的比選,選擇2 孔溢流堰、單孔尺寸采用9.0 m×6.0 m（寬×高）的溢流孔口方案,結合閘門受力情況、控制運用要求,考慮采用平面鋼閘門和弧形鋼閘門兩種結構型式[3]。

方案一：平面鋼閘門。平面鋼閘門適用于各種擋水高度和閘孔孔徑,且需要控制泄水的閘室。主要優點是：閘門結構簡單,門葉可移出孔口,便于檢修維護,有利于排放上游漂浮物；缺點是：上部排架柱高度較高和閘墩厚度較大,閘門啟閉力大。從投資來看,大壩土建投資為11591.91 萬元,金屬結構投資為85.96 萬元,兩者合計11677.87 萬元。

方案二：弧形鋼閘門適用于擋水高度和閘孔孔徑均較大,且需要控制泄水量的閘室。優點是：上部排架柱高度和閘墩厚度較小,閘門啟閉力小,沒有門槽影響水流流態；缺點是：閘墩長度較長,支墩結構復雜,維護時不能提出孔口,檢修較麻煩。從投資來看,大壩土建投資為11618.76 萬元,金屬結構投資為83.00 萬元,兩者合計11701.76 萬元。

綜上所述,平面鋼閘門投資較小,且結構簡單,檢修維護方便,因此推薦閘門結構型式為平面鋼閘門。

2.4 壩頂高程確定

根據《混凝土重力壩設計規范》（SL 319-2018）：壩頂高程應高于水庫最高靜水位。壩頂上游防浪墻頂高程應高于波浪頂高程,其與正常蓄水位或校核洪水位的高差,可由下式確定,應選擇兩者中防浪墻頂高程的高者作為最低高程。

式中：h 為防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差,m；h1%為累積頻率為1%的波高,m；hz為波浪中心線至正常蓄水位或校核洪水位的高差,m；hc為安全加高。

對于丘陵、平原地區水庫,當庫水位較深,且計算風速V0＜26.5 m、D＜7.5 km 時,宜按鶴地水庫公式計算。正常蓄水位工況下,壩前平均水深H=63 m,平均波長Lmm=20.78 m,累積頻率為1%的波高h1%=0.99 m；校核洪水位工況下,壩前平均水深H=63 m,平均波長Lmm=11.31 m,累積頻率為1%的波高h1%=0.54 m[4]。因此,園洞水庫大壩壩頂高程計算成果見表2。

表2 園洞水庫大壩頂高程計算成果表

園洞水庫大壩選定壩頂高程為339.06 m，低于計算防浪墻頂高程。故壩頂上游需設防浪墻，為了保證壩頂交通與行人安全，根據《混凝土重力壩設計規范》（SL 319-2018），防浪墻墻身高度可取為1.2 m，本次設計選定防浪墻高度為1.2 m，則設計防浪墻頂高程為340.26 m，滿足規范要求。

2.5 壩基抗滑穩定

根據《混凝土重力壩設計規范》（SL 319-2018）,采用抗剪斷強度公式計算壩基面的抗滑穩定安全系數,抗剪斷強度計算公式如下：

式中：k'為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f'為壩體砼與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數；c'為按抗剪斷強度計算的抗剪斷凝聚力,kPa； A 為壩基接觸面面積,m2；∑W 為作用于壩體上全部荷載（包括揚壓力）對滑動平面的法向分值,kN；∑P 為作用于壩體上全部荷載（包括揚壓力）對滑動平面的切向分值,kN。

大壩基礎均為弱風化石英砂巖,選取具有代表性的非溢流壩段和溢流壩段分別進行抗滑穩定分析,以單寬1 m 為計算單元進行計算。壩基混凝土與巖基面參數見表3。

表3 壩基混凝土與巖基面參數表

基本組合情況下,大壩基底、岸坡壩段的抗滑穩定安全系數K'均大于3.0,K 均大于1.05；特殊組合情況下,大壩基底、岸坡壩段的抗滑穩定安全系數K'均大于2.5,K 均大于1.00,滿足規范要求。

2.6 壩體側向穩定

根據工程地質勘察報告,重力壩岸坡壩段的基礎巖石多為微風化～弱風化中部巖體,完整性較好且無明顯薄弱結構面對重力壩岸坡壩段進行側向抗滑穩定計算。為了安全起見,這里仍然假定斜坡壩段沿視作膠結面的壩基面（假定的剪切面為巖石/混凝土面）滑動,考慮上平段剪斷壩體混凝土（上平段及抗力段采用了混凝土/混凝土間的抗剪斷強度參數）與阻滑力的作用,岸坡壩段側向抗滑穩定受力計算簡圖見圖1。岸坡壩段抗滑穩定安全系數,基本組合工況下均不小于3.0,特殊組合工況下不小于2.5,因此,岸坡壩段各壩塊側向抗滑穩定滿足要求[5]。

圖1 岸坡壩段側向穩定計算受力簡圖

2.7 壩體材料分區

本工程大壩壩型為堆石混凝土重力壩,根據相關規范,結合現有竣工、正在施工的堆石混凝土重力壩,確定壩體材料分區,以滿足大壩物理力學性能、耐久性、抗滲性的要求,因此,園洞水庫大壩的壩體內部材料主要采用C9015F50W6一級配堆石混凝土=45%一級配自密實混凝土+55%堆石,上下游迎水面校核洪水位以下防滲混凝土采用C9015F50W6一級配自密實混凝土,壩基、塔基等混凝土墊層采用C20W6二級配常態混凝土澆筑,溢流壩段的導墻、底板、閘墩、胸墻及取水孔的過流面采用C30W6 二級配常態（鋼筋）混凝土澆筑,壩頂面混凝土采用C2825,閘門槽二期混凝土采用C2825F50W6,溢流壩頂的交通橋、啟閉機平臺結構的梁板柱采用C30 二級配常態（鋼筋）混凝土澆筑,壩體廊道采用C30預制鋼筋混凝土結構。

3 結語

園洞水庫工程關鍵技術主要是堆石混凝土重力壩的設計與施工,就是近年來將自密實混凝土技術應用于壩體施工、由清華大學發明并推廣的一種專利技術,其簡化了傳統砌石壩砌筑施工程序,計算得知園洞水庫的攔河大壩壩頂高程339.06 m,最大壩高69.00 m,壩頂寬5.0 m,壩長127.75 m,壩底最大寬度55.43 m。園洞水庫工程建設事關翁源縣乃至全市經濟社會發展大局、對完善全市生產力布局、優化產業結構、保障改善民生具有重要支撐作用,是提升社會效益顯著的好項目,對解決翁源縣龍仙鎮灌溉、飲水安全、促進工業和城鎮化發展有重要作用。