德隆水庫堆石混凝土重力壩樞紐布置及結(jié)構(gòu)計算

劉明菊

摘 要：針對德隆水庫壩址區(qū)地形地質(zhì)復(fù)雜，強(qiáng)巖溶及斷層發(fā)育，巖體均一性差、抗變形能力不一致等問題。結(jié)合地質(zhì)勘探和當(dāng)?shù)厥戏治銮闆r，綜合考慮壩型適宜性、樞紐布置、邊坡穩(wěn)定和承壓水影響等因素。優(yōu)選能充分利用當(dāng)?shù)厥?、基礎(chǔ)開挖和壩體填筑量小、樞紐布置緊湊的重力壩方案。論證分析成果表明，大壩的應(yīng)力、地基承載力及大壩整體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，樞紐布置和結(jié)構(gòu)體型設(shè)計合理，可為類似工程的設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：壩型比選;堆石混凝土重力壩;巖溶裂隙;德隆水庫

中圖分類號：TV641.3+2 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0071-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.017

Arrangement and Structure Calculation of Rock-filled Concrete Gravity Dam of Delong Reservoir

LIU Mingju

（Zunyi Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower， Zunyi 563002，China）

Abstract： In view of the complex topographical features problems such as strong karst and faults development， poor mass uniformity and different deformation resistance of rock， combined with geological exploration and local stone analysis， and comprehensively considering the dam type suitability， hydro-project layout， slope stability and confined water influence， the gravity dam scheme with compact layout， full using local stone， small excavation and filling volume has been preferred. The demonstration and analysis results show that the layout and structural shape design of gravity dam are reasonable， the foundation bearing capacity and dam stability can meet the specification requirements， and the dam is safe and stable which can provide technical guidance for engineering construction.

Keywords： dam type comparison and selection; concrete gravity dam; karst fissure; Delong reservoir

1 工程概況

德隆水庫位于貴州省遵義市鳳岡縣土溪鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座集農(nóng)業(yè)灌溉、集鎮(zhèn)及農(nóng)村供水于一體的民生水利工程。水庫正常蓄水位為868.00 m，總庫容為1 490萬m，擋水大壩為堆石混凝土重力壩，為Ⅲ等中型水庫工程。德隆水庫承擔(dān)著2.17萬人供水及8.354萬m農(nóng)田灌溉，設(shè)計年供水量為2 472萬m，主要受益對象為土溪鎮(zhèn)及新建鎮(zhèn)。德隆水庫是鳳岡縣灌區(qū)規(guī)劃中的骨干水源項(xiàng)目，其建設(shè)對土溪鎮(zhèn)及新建鎮(zhèn)的發(fā)展具有舉足輕重的作用。

2 壩址區(qū)地形條件

建壩河段河谷多為基本對稱的V形谷，壩址河床高程為818.00～828.00 m，兩岸多為第四系殘坡積砂質(zhì)黏土、崩塌堆積塊石分布。河床為第四系沖洪積物覆蓋，基巖零星出露。左岸受F斷層切割，巖層產(chǎn)狀左、右岸變化較大，左岸為N35～40°E/SE∠5～8°，右岸為N37～42°E/SE∠13～14°，壩址區(qū)地貌如圖1所示。

3 壩型比選

壩址除右岸坡發(fā)育一號沖溝外，兩岸對稱性整體較好，上游河谷開闊，下游河谷相對較狹窄，地形從上游至下游逐漸變陡。區(qū)內(nèi)出露地層主要為∈j薄層、極薄層粉砂巖以及∈j灰?guī)r，巖層總體傾左岸偏下游，右岸分布F正斷層，斷層帶巖體較破碎，在已成攔河壩的上游河床右側(cè)有穩(wěn)定的泉水分布。受泉點(diǎn)、巖性的分布以及下游單薄山脊的控制，大壩僅能選擇在已成攔河壩至下游卸荷帶bt間長約200 m的河段。

壩址區(qū)巖性軟硬相間，灰?guī)r主要分布于上游側(cè)河床右側(cè)，下游側(cè)及左右岸為粉砂巖分布，其中粉砂巖力學(xué)指標(biāo)低，灰?guī)r力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)較高。壩基肩巖體均一性差、抗變形能力不一，且左岸有F斷層分布，壩址無建拱壩的地形地質(zhì)條件，具無備建重力壩和土石壩的條件[1]。結(jié)合當(dāng)?shù)厥戏植驾^為廣泛，而土料分布相對較少的具體情況，優(yōu)選重力壩和面板壩進(jìn)行比選，主要結(jié)論如下。

3.1 壩基處理方面

壩址區(qū)分布∈j層中厚層灰?guī)r、∈j薄層、極薄層粉砂巖，兩種巖性變形指標(biāo)存在差異，存在不均一變形問題，均須對基礎(chǔ)做相應(yīng)的固結(jié)灌漿處理。重力壩基礎(chǔ)開挖后，左壩肩斷層破碎帶及影響帶須做擴(kuò)挖回填砼處理，而對混凝土面板堆石壩而言，斷層帶對基礎(chǔ)開挖影響較小[2]，僅做固結(jié)灌漿處理即可滿足要求。面板壩略優(yōu)。

3.2 邊坡開挖穩(wěn)定方面

由于壩址區(qū)地形對稱性好，受壩址兩岸卸荷帶破碎巖體影響，面板堆石壩下游側(cè)距卸荷帶bt1較近，邊坡開挖易觸及卸荷帶致其失穩(wěn)，邊坡問題較突出，開挖難度大;而重力壩將壩基置于弱風(fēng)化基巖上，地基承載力、變形及抗滑穩(wěn)定均不存在大的問題[3]，僅須對左岸斷層帶及右岸松散坡積體進(jìn)行處理，不存在大的邊坡問題。重力壩略優(yōu)。

3.3 樞紐布置方面

就面板堆石壩方案而言，左岸可采用泄洪洞泄洪，其進(jìn)口段可避開F5斷層帶。但受斷層切割影響，壩肩至下游側(cè)山脊單薄，卸荷裂隙發(fā)育，遇巖溶洞穴的可能性大，存在圍巖穩(wěn)定問題，且洞線長，開挖及襯砌等工程量大;壩址右岸覆蓋層深厚，溢洪道開挖及基礎(chǔ)處理工程量大，即布置岸邊泄洪設(shè)施難度大。而重力壩在壩頂留缺口泄洪，可有效避免以上不良地質(zhì)體開挖邊坡的穩(wěn)定問題。重力壩較優(yōu)。

3.4 投資效益方面

面板堆石壩開挖、填筑方量大且工藝煩瑣，工期長;而重力壩則相反，開挖、填筑方量工程量少，工期短[4]。重力壩優(yōu)。

3.5 承壓水影響方面

面板壩為柔性壩，承壓水影響較大;而重力壩為剛性體，承壓水對其影響相對較小。重力壩優(yōu)。

從兩種壩型技術(shù)特性分析可知，面板壩雖在地質(zhì)適應(yīng)性方面較重力壩略優(yōu)，但在樞紐布置、邊坡開挖穩(wěn)定性、承壓水影響等方面重力壩更優(yōu)。因此，優(yōu)選技術(shù)性能更可行、經(jīng)濟(jì)更優(yōu)且安全可靠的重力壩方案。

4 水庫樞紐平面布置

大壩位于干溝河上，水庫樞紐由擋水建筑物、泄水建筑物、取放水建筑物等組成，如圖2所示。

4.1 擋水建筑物

大壩為堆石混凝土重力壩，壩軸線方位角為N82.88°W，壩頂高程為873.00 m，河床壩段建基面高程為820.00 m，最大壩高為53.0 m，最大壩底寬為47.2 m，上游壩坡838.00 m高程以上鉛直，838.00 m高程以下為1∶0.2;下游壩坡867.00 m高程以上鉛直，867.00 m高程以下為1∶0.8。壩頂寬為7.0 m，壩頂總長為230.0 m。

4.2 溢洪道

大壩壩頂中段設(shè)泄洪表孔，泄洪方式為開敞式，堰頂高程為868.00 m，共3孔，溢流總凈寬為24 m，孔頂設(shè)7.0 m寬交通橋連接大壩兩端。溢流堰上游堰面曲線采用3∶2斜坡線和雙圓弧曲線;下游面為WES曲線（曲線方程：y=0.17x1.81）、1∶0.8直線段組成。溢流壩面以半徑為10.0 m的圓弧段接消力池，池底高程為822.50 m、消力池全長為26.0 m、寬為26.0 m，邊墻高為5.5 m。

4.3 取放水建筑物

取放水建筑物布置在左壩段，緊靠溢洪道左側(cè)墻。主要由閘門井、啟閉排架、啟閉機(jī)室、壩內(nèi)埋管、閘閥及閘室等組成。進(jìn)口底板高程為839.00 m，進(jìn)口設(shè)2.0 m×2.0 m的平面檢修閘門，其后通過方變圓接管徑為DN2 000 mm鋼管;在大壩下游側(cè)分別接出1根DN1 400 mm放空管和1根DN1 600 mm放水管。在DN1 400 mm放空管上接出1根DN300 mm生態(tài)放水涂塑鋼管，并設(shè)相應(yīng)尺寸的閘閥控制放水，且將所有工作閘閥布置在同一閘室內(nèi);DN1 400 mm放空管末端接入溢洪道消力池內(nèi)，DN1 600 mm放水管末端與輸水管道連接。

5 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

5.1 壩頂高程確定

德隆水庫校核洪水位為872.02 m，設(shè)計洪水位為870.85 m。計算風(fēng)速分別為：正常情況18 m/s;校核情況12 m/s。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL 319—2018）[5]，壩頂高程為水庫靜水位加壩頂超高（壩頂距水庫靜水位高度）Δh。按兩種情況計算，成果如表1所示。

從表1可知，計算壩頂高程為872.82 m，壩頂寬度的確定應(yīng)同時滿足設(shè)備布置、檢修、交通及觀測等方面要求，綜合考慮后，壩頂寬度采用7.0 m，選定壩頂高程為873.00 m。

5.2 大壩穩(wěn)定及應(yīng)力分析

5.2.1 荷載組合。壩址兩岸地形對稱性好，壩基及兩壩肩主要以粉砂巖、灰?guī)r為主。粉砂巖主要分布于兩岸坡及河床淺表層，為較軟巖，河床以下多以灰?guī)r為主，為中硬巖。分析基本荷載共6種：①壩體自重;②靜水壓力;③揚(yáng)壓力;④大壩上游淤沙壓力;⑤浪壓力;⑥動水壓力。穩(wěn)定和應(yīng)力分析各種工況下荷載組合情況，如表2所示。

5.2.2 壩體應(yīng)力計算。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL 319—2018）[5]，結(jié)合德隆水庫特性，采用剛體極限平衡法和材料力學(xué)法進(jìn)行分析，計算成果如表3所示。

從表3應(yīng)力成果可知，在上述4種運(yùn)行工況下壩體的最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均在規(guī)定的允許范圍內(nèi)，且壓應(yīng)力均小于壩基允許承載力。因此，壩基承載力滿足要求，大壩設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理。

5.2.3 大壩整體穩(wěn)定分析。壩基巖層傾左岸偏下游，為斜向或走向河谷結(jié)構(gòu)，傾角為5～14o。受斷層F5影響，區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，主要發(fā)育有4組裂隙，Ⅰ組產(chǎn)狀為N5～20?E/NW∠70～80?，Ⅱ組產(chǎn)狀為N60～80?E/NW∠60～85?，Ⅲ組產(chǎn)狀為N40～50?E/SE∠67～85?，Ⅳ組產(chǎn)狀為N45?W/NE∠70～80??？刂拼髩螇位够€(wěn)定的滑動模式主要有3種。①第一種滑動模式（以下簡稱滑模①）：計算壩段沿建基面與混凝土接觸面的淺層滑動。②第二種滑動模式（以下簡稱滑模②）：計算壩段雙滑裂面的深層滑動（組合面：Ⅱ組裂隙為拉脫面、巖層層面為底滑面，再通過假定一組β角，從中求出安全系數(shù)最小的滑裂面與之對應(yīng)的β=37°，即第二滑裂面沿與水平面夾角為37°剪斷巖體）。③第三種滑動模式（以下簡稱滑模③）：計算右壩段單滑裂面的深層滑動（組合面：Ⅱ組裂隙為拉脫面、巖層層面為底滑面，下游①號沖溝臨空面為滑出面）。根據(jù)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》（SL 678—2014）[6]計算，成果如表4所示。

從表4抗滑穩(wěn)定計算成果可知，在基本組合和特殊組合工況下，三種滑動模式最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)語

德隆水庫壩址區(qū)地形地質(zhì)條件較復(fù)雜，碳酸鹽巖與碎屑巖均有出露，雖未見大型巖溶形態(tài)分布，但存在小型巖溶管道分布。從壩型比選、樞紐布置和大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計計算等方面進(jìn)行了論證分析，得出以下結(jié)論。

①壩址區(qū)巖性軟硬相間，壩基肩巖體均一性差，抗變形能力不一，且左岸有F斷層分布。經(jīng)壩型綜合比選，重力壩相對面板壩更優(yōu)，設(shè)計優(yōu)選樞紐布置緊湊、邊坡開挖穩(wěn)定性好、承壓水影響較小的堆石混凝土重力壩壩型。

②應(yīng)力及穩(wěn)定性分析成果表明，在基本組合和特殊組合工況下，大壩的應(yīng)力、壩基承載力和大壩整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

參考文獻(xiàn)：

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