萬壩水庫主庫混凝土面板堆石壩樞紐布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計

喬 雙

（貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 工程概況

貴州萬壩水庫位于德江縣沙溪鄉(xiāng)北東側(cè)小溝組、黃泥溪組上游，為馬蹄河左岸支流，屬長江流域烏江水系。水庫距德江縣約26 km，距沙溪鄉(xiāng)約5 km。工程任務(wù)為承擔(dān)德江縣沙溪鄉(xiāng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村人畜飲水及灌溉供水。工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬?。?）型，水庫總庫容113.6萬m3，可供水量為97.3萬m3，具有多年調(diào)節(jié)性能。主庫大壩樞紐建筑物有混凝土面板堆石壩、右岸岸邊開敞式溢洪道、庫區(qū)連通隧洞、壩身取水兼放空設(shè)施、提水泵站、上水管、高位水池、輸水管道及相關(guān)附屬設(shè)施等。

2 工程地質(zhì)條件及壩型比選

2.1 工程地質(zhì)條件

萬壩水庫由新建主庫、副庫組成，兩庫中部僅有一山脊相隔，庫壩區(qū)出露地層一致，無構(gòu)造發(fā)育，巖層產(chǎn)狀一致。兩庫區(qū)工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件相當。主庫河流為小溝河，副庫河流為黃泥溪河，均為馬蹄河左岸支流，屬長江流域烏江水系。主庫壩址區(qū)位于小溝組上游，河流流向為北西向，壩址段河谷為基本對稱“V”字型谷。左岸地形坡度30～45°，右岸1 185 m高程以下地形坡度為30～45°，1 185 m高程以上地形坡度為0～15°，兩岸坡面均為林地。河床地形平緩，寬26～40 m，河流亦平緩，無深大跌坎發(fā)育，河床均為耕地（水田）。主庫出露地層為志留系中上統(tǒng)韓家店群（S2-3hn）、第四系（Q）。壩址區(qū)巖體較完整，巖層呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀一致，為N20°～35°E/NW∠40°～55°，總體傾向下游，壩址區(qū)未見大的地質(zhì)構(gòu)造形跡。壩址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖體風(fēng)化卸荷。主庫左岸覆蓋層厚0～3 m，強風(fēng)化層厚4～8 m，弱風(fēng)化層厚5～9 m；右岸覆蓋層厚0～3 m，強風(fēng)化層厚5～9 m，弱風(fēng)化層厚5～9 m；河床覆蓋層厚8～14 m，強風(fēng)化層厚1～3 m，弱風(fēng)化層厚1～3 m。主庫壩址區(qū)為（S2-3hn）碎屑巖地層，屬相對隔水層，地下水類型為基巖裂隙水。壩址區(qū)強風(fēng)化層巖體透水率大，多為注水；弱風(fēng)化層巖體較完整，一般小于5 Lu，但局部地段裂隙切割較深，地下水位以上局部沿裂隙滲漏，透水率＞5 Lu；微新巖體節(jié)理少量發(fā)育，多閉合，巖體透水率均小于5 Lu，一般小于3 Lu。

2.2 壩型適宜性分析

主庫壩基地層巖性均為志留系中上統(tǒng)韓家店群（S2-3hn）：灰綠、紫紅色薄至中厚層粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、頁巖，屬軟巖。壩基巖石物理力學(xué)指標參數(shù)較低，而剛性壩對巖體承載力要求較高，壩基巖體承載力不具備建剛性壩條件，只適宜建柔性壩。壩址區(qū)河床覆蓋層厚度大（10~16 m）且不能作為基礎(chǔ)持力層，壩基開挖須清除河床覆蓋層，而均質(zhì)土壩壩體坡度可達1∶2，壩基開挖量大于堆石壩（壩坡陡于土壩壩坡）。而壩址區(qū)下游大坪上村沖溝對岸，與主壩直線距離約730 m，與副壩直線距離約580 m處石料場滿足修建堆石壩要求。結(jié)合地質(zhì)勘察成果，混凝土面板堆石壩和碾壓式瀝青混凝土心墻壩2種壩型進行比較，優(yōu)選與工程實際匹配性更佳的壩型。

（1）地形、地質(zhì)條件：主庫壩址區(qū)巖體較完整，巖層呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀一致，為N20°~35°E/NW∠40°~55°，總體傾向下游，壩址區(qū)未見大的地質(zhì)構(gòu)造形跡。兩庫壩址區(qū)出露地層相同，出露地層為志留系中上統(tǒng)韓家店群（S2-3hn）、第四系（Q）。河谷兩岸均為軟至較軟巖地層，弱風(fēng)化下部巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，無貫穿性結(jié)構(gòu)面，巖體較完整，但強度較低，抗變形能力較差，面板堆石壩雖然受到一定的地形限制，但影響不大，大壩樞紐均可布置。從壩址的地形、地質(zhì)條件看，2種壩型均可行。

（2）樞紐布置：面板壩和心墻壩都是土石壩，但面板壩樞紐布置相對于心墻壩更緊湊，占地面積小且便于管理，面板壩樞紐布置較優(yōu)。

（3）投資經(jīng)濟效益：面板壩方案首部樞紐投資4 869.68萬元，心墻壩方案首部樞紐投資5 089.20萬元，心墻壩方案較面板壩多219.52萬元，面板壩方案優(yōu)。

瀝青混凝土心墻壩與面板壩相比，心墻攤鋪施工相對簡單，且易于適應(yīng)低溫施工，但施工與壩體施工存在干擾。面板壩方案較心墻壩方案省219.52萬元，面板壩方案明顯優(yōu)于心墻壩。對于中、底壩的建設(shè)，混凝土面板堆石壩技術(shù)條件相對心墻壩更加成熟[1-2]。因此，從技術(shù)經(jīng)濟條件比較，混凝土面板壩方案優(yōu)于瀝青混凝土心墻壩，設(shè)計采用面板堆石壩方案。

3 主庫面板壩樞紐布置

萬壩水庫主庫面板壩首部樞紐主要建筑物包括擋水面板壩、岸坡式溢洪道、左岸取水兼放空管等。

3.1 擋水建筑物

主庫攔河壩壩型為混凝土面板堆石壩，大壩上、下游壩坡均為1∶1.4，大壩從上游至下游設(shè)置混凝土防滲面板+墊層區(qū)+過渡區(qū)+堆石區(qū)+大塊石護腳。主庫壩軸線方位角壩軸線S50°52'42"W，壩軸線長度91.11 m，壩頂高程1 174.20 m，防浪墻高程1 175.40 m，河床趾板建基面高程1 141.50 m，最大壩高32.7 m，壩頂寬3.7 m，最大壩底寬106.90 m。

3.2 泄洪建筑物

岸坡式溢洪道布置在主庫大壩右岸，由進水渠、溢流堰、泄槽、消力池及尾水渠組成。引渠段長約28.2 m，底板高程1 171.00 m；溢流堰頂高程1 173.00 m，不設(shè)置閘門，為開敞式溢洪道。堰頂上游面采用直壁，上游堰頭采用一段橢圓弧曲線，下游堰面曲線為WES曲線，堰下游接泄槽段。泄槽為矩形明渠，凈寬8.0 m，邊墻高1.5 m，為衡重式擋墻，底板厚0.5 m，按坡降不同分為2段，第1段坡比為1∶8，水平長度31.42 m，第2段坡比為1∶1.25，水平長度16.42 m，第1段和第2段以拋物線相接，第2段末端通過圓弧接消力池底板，反弧半徑r=1.5 m，消力池底板高程1 151.00 m，消力池尾坎高程1 152.00 m，寬度1 m，消力池邊墻高3.5 m，墻頂高程1 154.50 m。尾水渠為梯形明渠，邊墻高1.5 m，為貼坡式邊墻，坡比為1∶1，底寬8.0 m，底板厚0.5 m，按坡降不同分為2段，第1段坡比為1∶4.827，水平長度9.62 m，第2段坡比為i=1.2‰，水平長度52.83 m，末端底板高程1 149.94 m。

3.3 取水兼泄洪放空管

萬壩水庫主庫設(shè)計取水流量為0.057 13 m3/s，取水兼放空管布置于主壩右岸，位于壩0+063.29樁號處，結(jié)合施工導(dǎo)流布置，引水管由導(dǎo)流管改造而成，采用C25鋼筋混凝土外包，兼有取水、放空、下放環(huán)境水的功能。取水口為岸塔式，進口底板高程為1 158.50 m，比淤沙高程1 155.41 m高3.09 m；進水口頂部高程1 159.80 m，比死水位1 163.00 m低3.2 m。進口塔段長6.6 m，頂寬4.8 m，頂部高程與大壩防浪墻頂高程相同，為1 175.40 m。從左壩肩順著新建公路通至取水塔上啟閉機室，啟閉機室與公路通過交通橋連接。

4 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 壩頂高程

萬壩水庫主庫為面板堆石壩，根據(jù)SL189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》、SL274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和[3-4]。經(jīng)泄水建筑物比較及調(diào)洪計算得，水庫的校核洪水位為1 174.09 m，設(shè)計洪水位為1 173.80 m，正常蓄水位1 173.00 m。工程區(qū)多年平均最大風(fēng)速11.0 m/s；主庫最大風(fēng)區(qū)長度均為0.5 km，主庫與壩軸線夾角為16.39°。主庫壩頂高程計算成果見表1。

從表1可知，設(shè)計水位的防浪墻頂高程最高為1 175.38 m。因此，選定防浪墻頂高程為1 175.40 m，防浪墻高取1.2 m，相應(yīng)壩頂高程為1 174.20 m，高于水庫校核洪水位1 174.09 m。

表1 萬壩水庫主庫壩頂高程計算成果

4.2 大壩結(jié)構(gòu)布置

萬壩水庫主庫堆石區(qū)地層為二疊系中統(tǒng)棲霞至茅口組（P2q-m）淺灰至深灰色厚層塊狀灰?guī)r，巖體強度較高（飽和抗壓強度大于40 MPa），屬于硬巖。因此，根據(jù)《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，上游壩坡采用1∶1.4，下游壩坡采用1∶1.4。大壩壩體結(jié)構(gòu)為：上游防滲面板+墊層區(qū)+過渡區(qū)+堆石區(qū)+大塊石護腳+下游塊石護坡+塊石護腳。大壩典型斷面，如圖1所示。

圖1 主庫面板堆石壩典型斷面

萬壩水庫主庫壩頂無交通要求，壩頂寬度取3.7 m。壩頂上游設(shè)懸臂式混凝土擋土墻形式防浪墻，防浪墻上游設(shè)0.8 m寬的檢查平臺，L型防浪墻厚0.5 m，高2.7 m，水平段長度3.2 m，墻底高程1 172.70 m，墻頂高程1 175.40 m，其中1.50 m埋入堆石體內(nèi)。壩頂下游側(cè)設(shè)混凝土擋墻，墻底高程1 172.70 m，墻頂高程1 174.20 m，墻頂處設(shè)置高為1.2 m的仿石欄桿。根據(jù)壩體填筑材料和分區(qū)情況，壩體填筑設(shè)計標準，見表2。

表2 壩體材料分區(qū)填筑參數(shù)表

4.3 壩基處理

在趾板與基巖接觸部位，為了提高趾板基礎(chǔ)的整體性，提高抗沖蝕能力，需進行固結(jié)灌漿，采用錨桿與基礎(chǔ)連接[5-6]。固結(jié)灌漿孔共三排，排距2 m，孔距2 m，梅花型布置，孔深入基巖6 m。錨筋直徑Φ25，單根長4.5 m，間、排距2 m，梅花形布置，預(yù)留0.4 m與趾板混凝土連接。

防滲帷幕為懸掛式，壩址區(qū)地層屬相對隔水地層，兩岸防滲邊界接地下水位，并保證進入微新巖體；壩基防滲底界進入相對隔水層5～10 m（巖體透水率≤5 Lu）。河床段沿趾板中部布設(shè)帷幕灌漿，要求先作固結(jié)灌漿后作帷幕灌漿，左岸防滲帷幕線長約18.9 m，防滲帷幕面積330.6 m2；右岸帷幕線長約83.1 m，防滲帷幕面積1 067 m2；壩體防滲帷幕線長約152.8 m，防滲帷幕面積2 641.2 m2，總防滲面積4 038.8 m2。左右岸帷幕線均較短，采用地面灌漿方式。帷幕總進尺2 500 m，有效進尺1 880 m，無效進尺620 m。帷幕線為單排，灌漿孔按單排孔布置，壩體段孔距2 m，兩岸孔距3 m。

5 結(jié)束語

萬壩水庫是貴州德江縣解決沙溪鄉(xiāng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村人畜飲水及灌溉供水為本土的骨干水源工程。壩址區(qū)地形地質(zhì)條件較好，河流亦平緩，無深大跌坎發(fā)育，具備成庫條件。為確保水庫首部樞紐具有較高技術(shù)可行性和投資經(jīng)濟性，結(jié)合項目地形、地質(zhì)、天然材料和施工等條件，主壩從壩型適應(yīng)性、首部樞紐布置和投資經(jīng)濟效益等方面進行論證分析和優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)選技術(shù)經(jīng)濟均較優(yōu)的面板壩方案，并對方案樞紐布置及大壩結(jié)構(gòu)進行了詳細的設(shè)計，確保了工程高效優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè)。