圍灘水電站樞紐大壩設(shè)計(jì)

葉雄俊

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

圍灘水電站位于晉城市東部，跨澤州縣和晉城市城區(qū)2縣（區(qū)），工程樞紐位于澤州縣金村鎮(zhèn)圍灘村東北的丹河干流上，距晉城市區(qū)30 km，是晉城市生活和工業(yè)用水的水源地之一。樞紐壩址以上控制流域面積2418.5 km2。

工程為樞紐大壩為漿砌石（堆石混凝土）重力壩，工程等別為Ⅳ等，樞紐大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計(jì)，500年一遇校核。樞紐大壩由溢流壩段、擋水壩段和沖沙閘段組成，總庫容878萬m3，最大壩高55.5m。

2 大壩設(shè)計(jì)

2.1 壩型選定

樞紐位于石山區(qū)，河道狹窄，適宜于修建重力壩，設(shè)計(jì)對砌石壩和混凝土壩進(jìn)行比較，綜合兩種材料壩的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)選用砌石重力壩型式，壩體采用M7.5小石子砂漿砌塊石，表面采用混凝土及鋼筋混凝土。

2.2 大壩體形設(shè)計(jì)

擋水壩段壩頂寬8m，上游面高程449.0m以上為垂直邊坡，以下邊坡為1∶0.2，下游面高程475.0m以上為垂直邊坡，以下邊坡為1∶0.8，壩頂高程480.5m，防浪墻頂高程481.7m，最大壩高55.5m，最大壩底寬51.32m。

溢流壩段布置在主河槽，總長44m，最大壩底寬52.45m，溢流堰凈寬40m，堰頂高程471.0m，堰面采用“WES”曲線，曲線下接1∶0.85的陡坡段，陡坡末尾設(shè)挑流反弧，反弧半徑18m，挑流鼻坎高程444.0m，挑角21°，反弧圓心角50°。為便于交通，在堰頂布置交通橋，橋?qū)?m。上游側(cè)449.0m高程以上采用垂直邊坡，449.0m以下邊坡為1∶0.267，溢流面采用1.0m厚的C40抗沖磨鋼筋混凝土。壩基上游側(cè)設(shè)4.0m深的齒槽，下游側(cè)設(shè)3.0m深的齒槽，并設(shè)1.5m厚的C15素混凝土墊層。

沖砂閘段布置在溢流壩段右側(cè)，單孔布置，長7.5m，底板高程443.0m。底孔進(jìn)口設(shè)檢修平板鋼閘門，閘門尺寸3.5m×3.5m，壩頂設(shè)啟閉機(jī)房，采用卷揚(yáng)機(jī)啟閉；尾部設(shè)弧形工作閘門，閘門尺寸3.5m×3m，閘墩頂部設(shè)啟閉機(jī)房，采用卷揚(yáng)機(jī)啟閉。底孔四周采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為1.0m厚的C40抗沖磨混凝土，外側(cè)為1.0m厚的C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。壩體結(jié)構(gòu)與擋水壩段一致。

2.3 水力計(jì)算

2.3.1 溢流壩泄流計(jì)算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，開敞式“WES”型實(shí)用堰的泄流能力按相關(guān)公式計(jì)算，泄流能力見表1。

2.3.2 沖沙底孔泄流能力計(jì)算

沖沙閘底板高程442.3m，根據(jù)徑流調(diào)節(jié)確定的正常蓄水位為471.0m，洞頂高程445.8m，其進(jìn)水口全部淹沒在水面下，水流為壓力流，泄量計(jì)算采用《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》孔口泄流能力計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算，水位—泄量關(guān)系見表1。

表1 堰頂水位與泄量關(guān)系表

2.3.3 下游消能設(shè)計(jì)

溢流壩段消能方式采用挑流消能，其中：設(shè)計(jì)洪水和校核洪水情況下挑距分別為55.4m和67.3m；設(shè)計(jì)洪水和校核洪水情況下最大沖刷坑深度分別為9.23m和18.20m。

沖刷坑深度是從河道地面算至沖坑底部，根據(jù)地質(zhì)資料，河床的實(shí)際覆蓋層厚度為10~12m，設(shè)計(jì)洪水時(shí)不會(huì)在基巖面形成沖坑；校核水位下，為1/8.22，小于許可的最大后坡1/2.5，因此，沖刷坑不會(huì)危及壩趾安全。

2.4 重力壩穩(wěn)定分析

重力壩穩(wěn)定分析包括溢流壩段和非溢流壩段兩部分。對壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算按規(guī)范要求考慮以下三種情況：沿壩體墊層混凝土與基巖接觸面滑動(dòng)；沿漿砌面與墊層混凝土接觸面滑動(dòng)；漿砌石體之間滑動(dòng)，計(jì)算選取最不利的壩段，取單寬進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算工況分為三種：基本組合情況下，正常蓄水位為自重+正常蓄水位時(shí)的靜水壓力+場壓力+泥沙壓力+浪壓力；設(shè)計(jì)洪水位為自重+設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+動(dòng)水壓力。特殊組合情況下，校核洪水位為自重+校核洪水位時(shí)的靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+動(dòng)水壓力。采用《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式。

溢流壩與非溢流壩各取最大壩斷面，取單寬進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)定安全系數(shù)表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，上述三種工況與荷載組合下安全系數(shù)和安全系數(shù)均大于規(guī)范允許安全系數(shù)，滿足規(guī)范規(guī)定，因此重力壩滿足穩(wěn)定要求。

2.5 重力壩應(yīng)力分析

重力壩應(yīng)力計(jì)算的方法較多，目前常用的是材料力學(xué)法。根據(jù)《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，實(shí)體重力壩以材料力學(xué)法為基本分析方法，根據(jù)壩高選定計(jì)算截面?zhèn)€數(shù)，中低壩可只計(jì)算邊緣應(yīng)力，因此，本次僅計(jì)算壩基高程424m處的邊緣應(yīng)力。

計(jì)算內(nèi)容包括正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位時(shí)上下游面垂直正應(yīng)力，分別按考慮揚(yáng)壓力和不計(jì)揚(yáng)壓力兩種情況計(jì)算。

計(jì)算截面選取溢流壩與非溢流壩最高壩段，并采用《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 大壩應(yīng)力計(jì)算成果表 單位：kg/cm2

從表中可以看出，在各種荷載組合下，壩基應(yīng)力均為壓應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

2.6 壩體防滲與排水

2.6.1 壩體防滲

工程樞紐大壩采用漿砌石（堆石混凝土），壩體防滲采用在大壩上游面布設(shè)1.5m厚的C25鋼筋混凝土面板，壩后布設(shè)1.0m厚的C25鋼筋混凝土護(hù)面。

在大壩樁號0+033.5，0+077.5和0+97.5處設(shè)計(jì)3條壩體橫縫，同時(shí)兼壩面伸縮縫；在大壩樁號0+017.5，0+044.5，0+055.5，0+066.5 和 0+112.5 處設(shè)計(jì)5條壩面伸縮縫，縫寬20 mm，橫縫和伸縮縫在上游防滲面板內(nèi)設(shè)2道止水，第一道為紫銅片止水，銅片厚14 mm、寬442 mm，第二道為651橡膠止水帶，止水帶厚12 mm、寬300 mm；在擋水壩段伸縮縫的下游混凝土護(hù)面內(nèi)水位以下設(shè)一道橡膠止水帶，溢流壩面伸縫全斷面設(shè)兩道止水，一道為橡膠止水，一道為紫銅片止水。

2.6.2 壩體排水

排水分為壩內(nèi)排水和壩基排水。壩內(nèi)排水在壩體內(nèi)的廊道下游側(cè)布置一排排水管，排水管中心距廊道下游側(cè)墻0.5m，采用直徑150 mm的預(yù)制無砂混凝土排水管，間距3.0m。壩基排水孔布置在底部廊道的下游側(cè)，孔距3.0m，排水孔深取0.4～0.6倍的帷幕深，且不小于10m。樁號0+026.0—0+093.0段排水孔底高程 407.5m，兩側(cè)以 1∶0.5的坡度向兩岸延伸至470.0m高程。

3 結(jié)語

圍灘水電站的興建，對合理開發(fā)利用丹河水資源，調(diào)整晉城市水源結(jié)構(gòu)，改善工業(yè)和城市生活用水供水條件，緩解當(dāng)?shù)毓こ绦匀彼偷叵滤畤?yán)重超采的局面，具有十分重要的作用。