龍明星，趙志遠(yuǎn)，何自立

(1.貴陽市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550002；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

栗木水庫工程位于貴陽市花溪區(qū)黔陶鄉(xiāng)馬場村境內(nèi)的趙司河上，是一座解決花溪區(qū)黔陶鄉(xiāng)灌溉、人畜飲水及青巖古鎮(zhèn)(含安置區(qū))用水的水源工程項(xiàng)目.水庫擋水建筑物為粘土斜墻土石壩，最大壩高37.2 m，正常蓄水位為1 119.31 m，設(shè)計(jì)洪水位為1 119.31 m，校核洪水位為1 120.60 m，正常蓄水位以下庫容251.1×104m3，總庫容276×104m3，興利庫容231×104m3.工程規(guī)模為小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等.

水庫壩址河谷較寬敞，左岸覆蓋層較厚，右岸下伏基巖受斷層切割擠壓影響，存在壩基巖體裂隙發(fā)育、右岸壩肩斷層帶巖體破碎完整性較差等問題.為確保大壩首部樞紐布置方案具有較高技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，將結(jié)合踏勘資料和地質(zhì)分析成果，對碾壓粘土斜墻土石壩的樞紐布置、壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)、滲流及抗滑穩(wěn)定性等進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析和優(yōu)化調(diào)整，以期獲得與工程實(shí)際相匹配的較優(yōu)設(shè)計(jì)方案，確保工程高效優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè).

2 壩址地形地質(zhì)條件

壩址河谷地形較對稱，由于下游為河灣地帶，不利于泄洪.左、右岸覆蓋層厚度較大，壩基和壩肩開挖量較大，左岸存在壩肩開挖形成邊坡穩(wěn)定問題.右岸出露較多基巖，壩肩1 115～1 120 m高程為一平緩地形，利于溢洪道布置.左、右岸均可布置引水隧洞，隧洞主要穿越硬質(zhì)巖，成洞條件較好.壩址兩岸及河床基巖為D2d2段灰至深灰色薄—中厚層硅質(zhì)白云巖，局部含泥質(zhì)，巖質(zhì)堅(jiān)硬.巖層產(chǎn)狀N15°～20°E，NW∠10°～27°，右岸發(fā)育沿河走向的余家堡逆斷層(F1)，受(F1)斷層擠壓切割影響壩址發(fā)育NNE(N20°～30°E)向、NWW(N70°～85W°)向兩組裂隙,呈“X”狀.巖質(zhì)較堅(jiān)硬，但較破碎，無緩傾裂隙發(fā)育.第四系覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化帶巖體呈散體結(jié)構(gòu)，具松散介質(zhì)特征，為CV類巖體，不宜建壩；弱風(fēng)化帶巖體為硬質(zhì)巖，為BⅢ巖體，抗滑及抗變形能力較好，具備建面壩堆石壩、土石壩、重力壩要求.

鑒于壩址區(qū)現(xiàn)有的不良地質(zhì)條件不利于修建剛性壩，考慮面壩堆石壩及土石壩兩種壩型進(jìn)行對比[1]，分析結(jié)果表明：面板堆石壩趾板要求放置于弱風(fēng)化完整基巖上，要求較高，而土石壩對基礎(chǔ)要求較低.另外，壩址處覆蓋層較厚，開挖工程量較大.為充分利用壩址右岸的礦渣料，減少水庫淤積源，降低開挖量，結(jié)合當(dāng)?shù)夭牧戏植迹O(shè)計(jì)優(yōu)選土石壩壩型.

3 土石壩首部樞紐布置

根據(jù)壩址地質(zhì)地形條件，首部樞紐布置由土石壩、右壩肩設(shè)閘溢洪道、右岸庫內(nèi)取水口、右岸引水隧洞等建筑物組成.

3.1 碾壓粘土斜墻土石壩

大壩為復(fù)合土工膜防滲碾壓粘土斜墻土石壩，壩軸線成直線布置，方位角為NW55.88°.壩頂高程1 121.00 m，壩高37.2 m，壩頂長210.60 m，壩頂寬6 m.壩頂上游設(shè)L型C15混凝土防浪墻，墻頂高程1 122.00 m，壩頂結(jié)構(gòu)200 mm厚度C15混凝土路面.根據(jù)工程類比確定在上游壩坡1 105.00 m處設(shè)一馬道，馬道以上坡比1 ∶2.5，馬道以下坡比1 ∶2.8，下游壩坡1 ∶1.6.

3.2 開敞式溢洪道

溢洪道位于大壩右岸，上游段設(shè)引渠，為岸邊開敞式設(shè)閘溢洪道，共設(shè)3孔，每孔凈寬6.0 m，總凈寬18.0 m.堰型為曲線型實(shí)用堰，堰頂高程1 115.31 m.在泄槽段樁號0+025.00縮窄至16.0 m，泄槽段底坡0.36，溢洪道長150.836 m.出口采用底流消能，消力池長42.5 m，消力坎高2.5 m.底板沿軸線設(shè)縱縫，沿溢洪道軸線每隔15 m設(shè)置橫縫.泄槽段底板沿垂直與軸線方向每隔25 m設(shè)橫向排水盲溝，尺寸25 cm×25 cm.

3.3 灌溉、供水隧洞

灌溉、供水隧洞布置于右岸.進(jìn)口設(shè)岸塔式取水口，底板高程1 097.000 m，孔口尺寸1.5 m×1.5 m，進(jìn)口設(shè)一道固定式攔污柵和一道檢修閘門.取水口后接城門洞形引水隧洞，洞斷面尺寸3.0 m×3.4 m，洞長165.00 m.洞內(nèi)設(shè)φ800球墨鑄鐵管(灌溉、供水、放空沖沙兼下放生態(tài)水)與取水口連接，引水管出口設(shè)有球閥控制灌溉和供水流量及放空.

4 土石壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 壩頂高程

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算得水庫校核洪水位1 120.60 m(P=0.33%)，設(shè)計(jì)洪水位1 119.31 m(P=3.33%)，正常蓄水位1 119.31 m.壩區(qū)水庫風(fēng)區(qū)長度(吹程)D=1.0 km；設(shè)計(jì)風(fēng)速正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位條件下為14.6 m/s，校核洪水位條件下為9.7 m/s.根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定[2]，栗木水庫大壩建筑物為4級，安全超高標(biāo)準(zhǔn)為：正常運(yùn)用情況0.5 m，非常運(yùn)用情況0.3 m.采用官廳水庫公式，計(jì)算得土石壩壩頂高程分析成果(見表1).

表1 土石壩壩頂高程計(jì)算成果 單位:m

根據(jù)表1計(jì)算成果，壩頂高程由校核洪水位情況控制，考慮在大壩上游設(shè)置防浪墻，取壩頂高程為1 121.00 m，防浪墻高1 m，頂部高程為1 122.00 m.

4.2 壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)及填筑標(biāo)準(zhǔn)

栗木水庫為非土質(zhì)防滲體分區(qū)壩，按照筑壩材料及功能從上游到下游將壩體分為上游保護(hù)層、土工膜墊層、防滲土工膜、下墊層、粘土斜墻、反濾層、礦渣料填筑壩體、下游排水棱體.栗木水庫碾壓粘土斜墻土石壩標(biāo)準(zhǔn)斷面(見圖1).

圖1 栗木水庫碾壓粘土斜墻土石壩標(biāo)準(zhǔn)斷面

(1)結(jié)構(gòu)分區(qū)

上游墊層由15 cm厚中砂鋪設(shè)后采用三級配8 cm的C20預(yù)制混凝土塊護(hù)面，抗?jié)B等級為W4，抗凍等級為F50.防滲土工膜采用聚乙烯(PE)復(fù)合土工膜(兩布一膜)，膜厚0.5 mm，布克重300 g/m2，規(guī)格：300 g/0.5 mm/300 g.土工膜與粘土斜墻之間，采用一層15 cm厚的中砂作為土工膜下墊層.粘土壩體由風(fēng)化土石料碾壓填筑.反濾層由土工布和砂墊層組成，其中砂墊層厚50 cm，坡比1 ∶1.5.下游護(hù)坡采用干砌塊石護(hù)坡，厚60 cm.下游壩腳采用大堆石護(hù)腳，排水體高程1 092.00m，頂寬4.0 m，護(hù)腳上游壩坡1 ∶1，下游壩坡1 ∶1.3.

(2)粘土斜墻填筑

去掉耕植土層的風(fēng)化土石料組成，為大壩的主要部分，風(fēng)化料碾壓填筑標(biāo)準(zhǔn)必須按《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)中的土料碾壓填筑的技術(shù)要求執(zhí)行[2-6].碾壓后壓實(shí)度不低于96%，滲透系數(shù)不小于1.0×10-3cm/s，容重不低于1.9 t/m3.斜墻部分碾壓采用BW219D-2型自行式振動(dòng)碾碾壓，遍數(shù)為4～6遍.采用進(jìn)退錯(cuò)距法碾壓，錯(cuò)距50 cm.

4.3 壩體滲流及壩坡穩(wěn)定分析

4.3.1 壩體滲流計(jì)算

根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)[4]，栗木水庫土石壩滲流計(jì)算設(shè)置三種工況.

工況一：上游正常蓄水位(P=3.33%設(shè)計(jì)洪水位1 119.31 m)與下游相應(yīng)的水位(1 090.37 m)情況；

工況二：上游校核洪水位(1 120.60 m)與下游相應(yīng)的水位(1 091.66 m)情況；

工況三：上游庫水位降落時(shí)(不穩(wěn)定滲流，水庫由正常蓄水位1 119.31 m降至1 099.50 m)情況.

迎水面設(shè)置土工膜防滲，滲透系數(shù)很小，小于1×10-8，約為1×10-11cm/s.將大壩分三個(gè)區(qū)域：粘土斜墻為1區(qū)、堆石及礦渣料為2區(qū)、壩基為3區(qū).各區(qū)采用的滲透系數(shù)如下：①1區(qū)：Kx=Ky=5.85×10-6cm/s；②2區(qū)：Kx=Ky=1.5×10-4cm/s；③3區(qū)：Kx=Ky=1×10-6cm/s(帷幕與基巖相連，視為不透水區(qū)).采用理正《滲流分析計(jì)算系統(tǒng)》進(jìn)行分析，各種工況滲流計(jì)算成果(見表2).

表2 各種工況滲流計(jì)算結(jié)果表 單位:m3/s·m

從表2可知，各工況條件下壩體滲流量均很常小，在10-6量綱級，對水庫高水位蓄水和防洪防汛不會(huì)造成不良影響，滿足設(shè)計(jì)要求.

4.3.2 壩坡穩(wěn)定性計(jì)算

為保證土石壩壩坡在各種運(yùn)行工況條件下，均具有較高的安全穩(wěn)定性，必須對壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析[7-9].結(jié)合栗木水庫工程實(shí)際，考慮兩種工況進(jìn)行壩坡穩(wěn)定計(jì)算，即：①工況一：校核洪水位情況下上、下游壩坡；②工況二：正常蓄水位情況下穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡.按剛體極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，采用計(jì)條塊間作用力的簡化畢肖普法和不計(jì)及條塊間作用力的瑞典圓弧法[10].經(jīng)計(jì)算得上、下游壩坡穩(wěn)定分析成果(見表3).

表3 各種工況壩坡穩(wěn)定分析成果表

從表3可知，各工況條件下采用瑞典圓弧法計(jì)算的最小安全系數(shù)為1.169，采用簡化畢肖普法計(jì)算的最小安全系數(shù)為1.252，均大于規(guī)范要求的[1.15]和[1.25]指標(biāo)限值[11]，壩坡整體穩(wěn)定性較高.

5 結(jié) 論

栗木水庫土石壩工程經(jīng)地質(zhì)調(diào)查、布置優(yōu)化調(diào)整、結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算和邊坡穩(wěn)定分析等，對首部樞紐布置和大壩經(jīng)濟(jì)斷面進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和方案優(yōu)化，優(yōu)選壩型適應(yīng)性強(qiáng)、整體布置簡潔、施工技術(shù)成熟和綜合投資小的碾壓粘土斜墻土石壩方案.滲流和穩(wěn)定性分析成果表明，樞紐布置和大壩結(jié)構(gòu)參數(shù)均滿足規(guī)范要求，很好處理了基礎(chǔ)覆蓋層較厚、軟基建壩、筑壩材料分布和壩體防滲等關(guān)鍵技術(shù)問題，為工程高效優(yōu)質(zhì)施工建設(shè)提供了重要設(shè)計(jì)技術(shù)指導(dǎo).

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳章淼,代 彬.過水灣水庫工程壩址及壩型比選[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2014,20(1):21-23.

[2] 中華人民共和國水利部.SL274-2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2008.

[3] 唐瑜蓮,丁兵勇.深厚覆蓋層地基高心墻堆石壩滲流特性三維仿真分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2017,29(3):12-15.

[4] 張遠(yuǎn)坤,魯麗霞,楊 蘭.楊灣橋水庫均質(zhì)土壩除險(xiǎn)加固防滲處理[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2017,29(5):50-54.

[5] 史天波,陳文斌.土壩除險(xiǎn)加固安全復(fù)核及套井回填粘土防滲技術(shù)應(yīng)用[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2017，29(4):36-40.

[6] 徐學(xué)孔.土石壩滲流及應(yīng)對施工技術(shù)探析[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2013(1):75-77.

[7] 韓凡香.玉門市青山水庫大壩穩(wěn)定及滲流計(jì)算分析[J].甘肅水利水電技術(shù),2010,46(5):34-36.

[8] 吳黨中,王茂榮.傳力洞截面對拱壩壩肩穩(wěn)定的影響[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2017,29(1):29-32.

[9] 史天波,陳文斌.高壓擺噴灌漿技術(shù)在壩基防滲加固修復(fù)中的應(yīng)用[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2017，29(3):16-19.

[10] 王新奇,孫勝利,趙洪嶺.邊坡穩(wěn)定分析方法評述與應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2010,18(1):7-10.

[11] 鄧 敏.泉水鎮(zhèn)防洪治理工程加固堤段滲流穩(wěn)定分析[J].廣西水利水電,2014(2):27-29,33.