西山水庫大壩壩型比選及重力壩設(shè)計計算

申洪波

（遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000）

1 工程概況

鳳岡縣西山水庫位于鳳岡縣龍泉鎮(zhèn)西山河下游的白巖塘附近，水庫壩址距鳳岡縣城約2.5 km。水庫所在的西山河屬龍?zhí)逗幼蟀兑患壷Я?，壩址位于西山河匯口上游約0.6 km河段，壩址以上流域面積65.2 km2，主河道河長18.2 km，多年平均徑流量3 820萬m3。水庫正常蓄水位734 m，總庫容802 m3，年供水量為1 610萬m3，為Ⅳ等?。?）型工程。壩型為混凝土砌石重力壩，最大壩高38.3 m，壩頂高程736.3 m。

2 壩址地形地質(zhì)條件

壩址河流略呈蛇曲形，河床高程704.30～706.82 m，無大的跌坎分布，正常蓄水位734 m時水面寬130～150 m。壩址右岸上游發(fā)育一垂直于河床方向的淺沖溝，沖溝下游地形較完整，為連續(xù)較均勻的斜坡地形；壩址區(qū)左岸受上游埡口和下游河流轉(zhuǎn)彎切割，總體上呈隆穹狀山體地形，山頂高程782.5 m。上游近河岸為一高13～20 m的陡巖，陡巖上方則為坡面總體平順的斜坡，向下游（順河向）則為緩斜坡地形，為基本對稱的V形河谷；設(shè)計正常蓄水位734 m，高程谷口寬高比為4.2。壩址區(qū)右岸多為第四系殘坡積物覆蓋，左岸基巖多裸露，局部有零星覆蓋層，河床多為第四系沖洪積物覆蓋，巖層產(chǎn)狀N5°～10°W∕NE∠30°～34°，為斜向河谷結(jié)構(gòu)，兩岸未見大的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，自然邊坡穩(wěn)定。壩址區(qū)無大的斷裂構(gòu)造發(fā)育，但在壩址上游左岸河灣陡巖處見一小斷層f1發(fā)育，此外還發(fā)育有 如 下3組 裂 隙：N5°～15°E∕NW∠75°～80°、N35°～40°W∕SW∠80°、N80°E∕NW∠82°。壩基間持力層巖體多為灰?guī)r，質(zhì)量較均一，僅局部巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，壩基（肩）抗滑抗變形能力主要受構(gòu)造結(jié)構(gòu)面影響較大。壩址河床和兩岸坡多出露T1y2-1灰?guī)r，該層巖溶化程度不高，主要以層間溶蝕和溶隙為主，兩岸及河床地表以下一定深度范圍內(nèi)滲透性較強(qiáng)，水庫蓄水水位抬升后有沿左右岸溶蝕裂隙及強(qiáng)風(fēng)化帶繞壩基（肩）滲漏問題。需對壩基肩進(jìn)行防滲及固結(jié)灌漿處理，壩址區(qū)上游河床及兩岸出露的T1y1泥頁巖，可作帷幕防滲邊界依托。

3 壩型比選

西山水庫壩址兩岸地形基本對稱，坡面較連續(xù)，沖溝不發(fā)育，右岸多有覆蓋層覆蓋，地形較陡，左岸基巖多裸露。壩基（肩）持力層主要為灰色薄至中厚層灰?guī)r，靠上游側(cè)有泥頁巖軟質(zhì)巖組分布，巖層傾左岸，偏下游，壩址區(qū)內(nèi)無大型不利物理地質(zhì)體分布，自然邊坡穩(wěn)定性好。壩址地形、地質(zhì)條件可建重力壩和混凝土面板堆石壩。根據(jù)壩址工程地形地質(zhì)條件及當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?，結(jié)合工程規(guī)模、施工條件等因素［1-2］，優(yōu)選砌毛石重力壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型進(jìn)行比選，具體如表1所示。

從表1兩種壩型技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，重力壩樞紐方案較混凝土面板堆石壩樞紐方案少投資801.49萬元，且樞紐布置更緊湊合理、施工工期靈活、壩體填筑質(zhì)量易控制且能充分利用當(dāng)?shù)厥稀Ｒ虼?，設(shè)計優(yōu)選砌毛石重力壩樞紐方案。

4 重力壩設(shè)計計算

4.1 樞紐布置

西山水庫重力壩樞紐由大壩、溢洪道、放空兼沖沙孔及取水孔等共同組成。大壩為重力壩，溢洪道為壩頂表孔溢流，布置于大壩中部，堰頂設(shè)有3扇4 m×6 m的平面閘門；放空兼沖沙孔及放水孔布置于左壩段。

4.1.1 擋水建筑物。大壩為砌石重力壩，最大壩高38.3 m，壩頂高程736.3 m，壩軸線長152.5 m，壩頂寬5.0 m，上游壩鉛直，下游壩坡1∶0.8，最大壩底厚32.2 m；大壩主體采用C15二級混凝土砌毛石，設(shè)計容重r=23 kN∕m3；大壩上游面設(shè)置0.6～1.0 m厚C15混凝土防滲墻，上、下游壩面采用M10砂漿砌C15混凝土預(yù)制塊進(jìn)行護(hù)面?；A(chǔ)設(shè)置1 m厚的C20三級配混凝土常態(tài)混凝土墊層。壩內(nèi)設(shè)灌漿排水廊道，總長度為95.0 m。

4.1.2 溢洪道。溢洪道布置于大壩壩頂中部，為開敞式設(shè)閘溢洪道，溢流堰頂高程728 m，溢流凈寬12 m，堰頂設(shè)3扇4 m×6 m的平板工作門，采用柱塞式液壓式啟閉機(jī)啟閉。溢流堰型采用WES實用堰，堰面體形由上游面1∕4橢圓曲線、下游面曲線和反弧段組成。尾部采用底流消能，消力池長35.0 m，寬19.4 m，底板高程703 m。最大下泄流量465.0 m3∕s，相應(yīng)單寬流量38.8 m3∕s。

4.1.3 放空兼沖沙系統(tǒng)。放空兼沖沙底孔布置于左壩段。底孔采用塔式進(jìn)水口，進(jìn)口底板高程713 m。底孔出口消能采用挑流消能，挑坎高程713.51 m。放空兼沖沙孔進(jìn)口喇叭口，底部為平底，頂部和側(cè)面均采用橢圓。

4.1.4 取水系統(tǒng)。取水建筑物緊鄰放空兼沖沙底孔布置，主要由取水口、取水鋼管、出口閘室等組成。取水口中心高程719.60 m，進(jìn)口采用三面收縮的喇叭形，底部為平底，頂部及側(cè)面均采用橢圓。

4.2 重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

4.2.1 壩頂高程確定。西山水庫為Ⅳ等?。?）型工程，大壩為砌毛石混凝土重力壩。大壩正常蓄水位為734.00 m，設(shè)計洪水位（P=2.0%）為734.10 m，校核洪水位（P=0.2%）735.39 m。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL 319—2018），壩頂高程應(yīng)高于校核洪水位?？紤]兩種工況進(jìn)行計算：①正常運用條件：設(shè)計洪水位+正常運用的壩頂超高；②非常運行條件：校核洪水位+非常運用的壩頂超高。壩頂高程計算成果，如表2所示。

根據(jù)表2成果，壩頂高程的控制情況為校核洪水位情況［5］，取壩頂高程為736.30 m。

表2 壩頂高程計算成果

4.2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定分析。

①荷載組合。根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL25—2006），選擇3種荷載組合進(jìn)行應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定分析。即基本組合1：正常蓄水位734.00 m與相應(yīng)下游水位705.00 m+淤沙壓力（淤沙高程718.50 m）+自重+揚壓力+浪壓力?；窘M合2：設(shè)計洪水位734.10 m與相應(yīng)下游水位709.56 m+淤沙壓力（淤沙高程718.50 m）+自重+揚壓力+浪壓力。特殊組合：校核洪水位735.39 m與相應(yīng)下游水位710.33 m+淤沙壓力（淤沙高程718.50 m）+自重+揚壓力+浪壓力。

②結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算。壩體應(yīng)力計算采用材料力學(xué)法［6］，根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 25—2006）技術(shù)要求，西山水庫砌石混凝土重力壩只需計算壩基上、下游面垂直正應(yīng)力。砌石壩砌體抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)基本組合為3.5，特殊荷載組合時不小于3.0。采用C15混凝土砌毛石，砌體容許壓應(yīng)力3.3 MPa。大壩壩體材料采用C15混凝土砌毛石，壩體應(yīng)力計算成果，如表3所示。

從表3可知，基本荷載組合情況下，最大壓應(yīng)力1.05 MPa；特殊荷載組合情況下，最大壓應(yīng)力0.9 MPa，大壩上游面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，大壩計算的最大壓應(yīng)力在規(guī)定的允許范圍內(nèi)。大壩壩基（肩）持力層主要為灰色薄至中厚層灰?guī)r，飽和抗壓強(qiáng)度為28～42 MPa，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 5007—2002），該工程壩基巖體屬較完整巖體，地基承載力折減系數(shù)取值范圍為0.2～0.5，取0.2進(jìn)行計算，則壩基承載力為5.6～8.4 MPa。因此，壩基承載力滿足要求。對于壩基巖體中所夾的軟弱夾層，按照規(guī)范要求將其深挖后用混凝土回填，即可滿足建壩要求。在3種運行工況下壩體的最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均在規(guī)定允許范圍內(nèi)，選用C15混凝土砌毛石材料合理，壩基承載力也滿足要求。

表3 大壩應(yīng)力分析成果單位：MPa

③抗滑穩(wěn)定分析。大壩壩址兩岸地形基本對稱，地形較完整，自然邊坡穩(wěn)定性較好，下游無深大沖溝切割，壩肩無順河向大規(guī)模斷裂分布，左岸巖層產(chǎn)狀傾山內(nèi)；壩基（肩）持力層主要為T1y2-1灰色薄至中厚層灰?guī)r，巖層傾左岸，偏下游，左岸、右壩肩及河床左壩段為中硬巖。右壩肩和河床段結(jié)合部上游側(cè)有傾下游的T1y1泥頁巖層，壩肩有近于順河向的裂隙發(fā)育，巖層層面與壩肩的兩組裂隙（N35～40°W∕SW∠80°，順河向；N80°E∕NW∠82°，斜切河向）。據(jù)地面統(tǒng)計并結(jié)合鉆孔資料看，壩址區(qū)構(gòu)造裂隙主要發(fā)育在強(qiáng)風(fēng)化巖體中，在弱風(fēng)化巖體內(nèi)則多閉合或尖滅，復(fù)合后連通率小于10%；且層面較粗糙，起伏差較大，跤合程度較好。建基面置于弱風(fēng)化帶中上部，巖體較完整，無緩傾上下游的結(jié)構(gòu)面，抗滑穩(wěn)定性好，無深層滑動問題。經(jīng)綜合分析，壩址區(qū)斷層，裂隙無對大壩河床和壩肩穩(wěn)定的不利組合，通過基礎(chǔ)開挖及適當(dāng)工程處理，建基面置于弱風(fēng)化層巖體，對大壩基礎(chǔ)影響不大，控制大壩滑動面為建基面與混凝土的接觸面。

西山水庫大壩為砌石重力壩，最大壩高38.3 m，屬中壩。西山水庫控制大壩滑動面為建基面與混凝土的接觸面，計算按壩段進(jìn)行，非溢流壩段（有排水孔段和無排水孔段）和溢流壩段；非溢流壩段（無排水孔段）只考慮帷幕灌漿作用，滲透壓力折減系數(shù)取為0.6；非溢流壩段（有排水孔段）和溢流壩段考慮帷幕灌漿及排水作用，滲透壓力折減系數(shù)取為0.25倍上游處揚壓力作用水頭。根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 25—2006），按抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn)行計算，得壩基抗滑穩(wěn)定分析成果，如表4所示。

表4 壩基抗滑穩(wěn)定分析成果

從表3可知，西山水庫大壩在基本組合工況下抗剪斷安全系數(shù)K1值均＞3.0，最小為3.15；特殊組合時K1值均＞2.5，最小為2.96，均滿足規(guī)范要求，壩體整體安全可靠。

4.3 結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)壩址工程地形地質(zhì)條件，大壩為重力壩，工程建成后，水庫大壩壩頂不作為主要交通道，但應(yīng)滿足運行檢修、觀測、交通和壩體結(jié)構(gòu)布置要求。經(jīng)應(yīng)力、穩(wěn)定性計算，并結(jié)合壩體施工填筑要求，選定壩頂寬5.0 m，壩頂高程736.30 m。大壩緊鄰縣城，從整體美觀考慮，壩頂上、下游側(cè)設(shè)置青石欄桿。最大壩底厚32.2 m，壩軸線長152.5 m。根據(jù)壩基地質(zhì)情況，確定建基面高程為698.00 m，最大壩高38.3 m。大壩左右兩岸為非溢流壩，總長133.1 m；溢流壩段（樁號壩0+079.8 m～壩0+099.2 m），溢流凈寬12.0 m。壩內(nèi)設(shè)灌漿排水廊道，總長度為95.0 m，廊道斷面尺寸為2.5 m×3.0 m（寬×高），廊道進(jìn)口高程為710.50 m，底部高程705.00 m，廊道采用C25混凝土全斷面襯砌，厚0.3 m。壩身段設(shè)置一排Φ150 mm排水孔，間距3.0 m；壩基設(shè)置一排Φ110 mm排水孔，孔間距2.5 m，壩體、壩基排水通過廊道匯集在廊道集水井內(nèi)抽排到壩體下游河道。大壩壩體上游防滲墻每隔20 m設(shè)一道橫縫，共設(shè)6條，橫縫上游面設(shè)置一道銅片止水。

5 結(jié)論

西山水庫屬峽谷型水庫，兩岸地表分水嶺多高大寬厚，但存在一單薄埡口。庫區(qū)由碎屑巖和碳酸鹽巖組成，庫岸邊坡多為切向坡，整體穩(wěn)定性較好，水庫經(jīng)適當(dāng)工程措施處理后具備成庫條件。為確保水庫大壩具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和安全穩(wěn)定性，在設(shè)計階段從壩型比選、樞紐建筑物布置、壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力及穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了詳細(xì)論證分析，主要得出以下結(jié)論。

①根據(jù)庫區(qū)地形地質(zhì)條件，結(jié)合樞紐布置、填筑工程量、施工技術(shù)、綜合投資等因素，設(shè)計優(yōu)選樞紐布置緊湊、壩體填筑方量小、綜合投資省的混凝土砌石重力壩方案。

②壩頂高程取736.30 m，比校核洪水位（735.39 m）高0.91m。同時在壩頂上、下游側(cè)設(shè)置青石欄桿，大壩整體安全美觀。

③壩體應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定分析成果驗證了優(yōu)選的壩型及樞紐布置方案合理可行，可為工程順利施工建設(shè)提供重要技術(shù)保障。