徐 顯

(貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

胡沖水庫(kù)位于貴州省盤州市竹海鎮(zhèn)珠東社區(qū)岔河，距竹海鎮(zhèn)政府11.0 km，距盤州市28.7 km。水庫(kù)位于卡舍河上游河段，卡舍河屬珠江流域北盤江水系烏都河的一級(jí)支流，全流域集水面積為58.5 km2，主河道長(zhǎng)為23.4 km，主河道平均比降為20.5‰。工程任務(wù)為集鎮(zhèn)、農(nóng)村人畜飲水和灌溉，總庫(kù)容為281萬(wàn)m3，為Ⅳ等小(1)型工程。水庫(kù)樞紐主要由堆石混凝土重力壩、壩頂溢洪道和壩身取水兼放空管組成。水庫(kù)正常蓄水位為1 738.00 m，相應(yīng)庫(kù)容為228萬(wàn)m3；死水位為1 718.00 m，死庫(kù)容為36.6萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為191.4萬(wàn)m3，庫(kù)容系數(shù)為25.9%，屬完全年調(diào)節(jié)運(yùn)用水庫(kù)。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)為康家溝至龍?zhí)稖虾佣?，河流從上游以東西向流入壩址區(qū)，隨即轉(zhuǎn)向S45°E再轉(zhuǎn)N70°E流向下游。壩址區(qū)左岸上游側(cè)為一凸出的山脊地形，其間發(fā)育一淺切割沖溝，切深為2～5 m，下游側(cè)受河道拐彎影響為一凹陷的負(fù)地形，左岸山頂高程為1 931.0 m，岸坡自然坡度為25°～45°；壩址河槽寬為10～80 m，高程為 1 700～1 706 m，比降約為10‰，總體較平緩，無(wú)深大跌坎發(fā)育；壩址右岸上、下游側(cè)各發(fā)育一沖溝，沖溝走向與河流方向近垂直，右岸上游側(cè)地形相對(duì)較為平整，山體頂高程為1 804.9 m，岸坡自然坡度為30°～40°，受河道拐彎及下游龍?zhí)稖嫌绊?，下游?cè)為一順河向凸出的山脊地形，山脊頂高程為1 778.4 m，岸坡自然坡度為35°～50°，局部為陡崖。正常蓄水位為1 738.00 m時(shí)，谷口寬為100～120 m，呈基本對(duì)稱“V”字型河谷。壩址區(qū)主要出露泥盆系上統(tǒng)桑郎組(D3s)及第四系(Q)地層。壩址區(qū)主要結(jié)構(gòu)面為裂隙面，節(jié)理裂隙主要發(fā)育4組。壩址區(qū)地層巖體透水性弱，為相對(duì)隔水巖組，地下水類型為基巖裂水和第四系松散覆蓋層中的孔隙水。壩址地形地貌如圖1所示。

圖1 壩址地形地貌示意

3 壩型適宜性分析比選

胡沖水庫(kù)推薦下壩線位于康家溝下游側(cè)約200 m處，河谷呈基本對(duì)稱“V”字型，左岸自然坡度為25°～40°；右岸自然坡度為35°～50°，局部為陡崖。兩岸覆蓋層厚度為0～5 m，為殘坡積含碎石粉質(zhì)粘土，局部可見(jiàn)基巖出露，基巖為D3s硅質(zhì)巖、炭質(zhì)硅質(zhì)巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為5～25 m，弱風(fēng)化層厚度為5～15 m；河床覆蓋厚為5～8 m，為砂卵石層，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為2～4 m，弱風(fēng)化層厚度為4～6 m。

由于河床較寬緩不對(duì)稱，左緩右陡，且兩岸風(fēng)化層厚度較深，不適宜修建拱壩；當(dāng)?shù)赝亮蟽?chǔ)量較分散，不宜作為防滲心墻材料或均質(zhì)筑壩材料，但可作為面板堆石壩的鋪蓋或圍堰土料等，河床砂卵石儲(chǔ)量不滿足修建砂礫石壩填筑量[1]，故不宜修建土壩和砂礫石面板壩；通過(guò)壩址巖體物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，壩址具備建重力壩與土石壩的地質(zhì)條件[2]。結(jié)合壩區(qū)附近分布有較好的灰?guī)r石料，具備建混凝土面板堆石壩的條件。因此，壩型選擇重力壩與面板堆石壩進(jìn)行比選(見(jiàn)表1)。

從表1可知，兩種方案技術(shù)上均可行，均能較好地適應(yīng)工程地形地質(zhì)。重力壩方案首部樞紐及永久占地投資為8 655.56萬(wàn)元，相對(duì)面板壩方案(9 124.88萬(wàn)元)可節(jié)省469.32萬(wàn)元，因此，按照投資節(jié)省原則，設(shè)計(jì)優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)更優(yōu)的重力壩壩型。

表1 面板堆石壩和堆石混凝土重力壩壩型對(duì)比

4 堆石混凝土重力壩樞紐布置

胡沖水庫(kù)重力壩方案首部樞紐由C15堆石混凝土重力大壩、壩頂溢洪道和壩身取水兼放空管等共同組成，平面布置示意如圖2所示。

圖2 堆石混凝土重力壩樞紐平面布置示意

4.1 擋水建筑物

大壩壩軸線長(zhǎng)為163.0 m，軸線方位角為N10.93°W，壩頂高程為1 742.0 m。壩身材料為C15一級(jí)堆石混凝土，上游面設(shè)置C20二級(jí)配常態(tài)混凝土防滲，抗?jié)B等級(jí)為W6，防滲層在1 712.0 m高程以下厚為1.5 m，1 712.0 m高程以上厚為1.0 m，基坑墊層混凝土采用1 m厚的C15一級(jí)配自密實(shí)混凝土，兩岸坡墊層混凝土采用0.5 m厚的C15一級(jí)配自密實(shí)混凝土。大壩由溢流壩段及左、右岸非溢流壩段組成。溢流壩段長(zhǎng)為12.0 m，壩基高程為1 692.50 m，最大壩高為45.50 m，最大底寬為41.525 m。溢流堰頂高程為1 738.0 m，溢流凈寬為10.0 m，單孔布置；非溢流壩段左岸長(zhǎng)為105.0 m，右岸長(zhǎng)為46.0 m，最大壩高為49.50 m，壩頂寬度為5.0 m，最大壩底寬度為44.525 m，上游面為1 704.50 m高程以上鉛直，1 704.50 m高程以下坡比按1：0.2控制，下游面在1 738.00 m高程以上鉛直，1 738.00 m高程以下坡比按1：0.75控制。

4.2 溢洪道

溢洪道由溢流控制段+壩面+壩腳消力池組成，溢洪道布置于大壩中部，樁號(hào)為壩0+046.000～壩0+058.000，溢流凈寬為10.0 m，單孔布置，邊墩厚為1.0 m。溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰頂高程為1 738.00 m，出口采用底流消能；上游面采用橢圓曲線，a=0.3 m，b=0.17 m，下游堰面曲線y=0.229x1.85；溢流曲線后接壩面，兩側(cè)導(dǎo)墻高度為2.00 m，寬為1.0 m，溢流面和側(cè)墻均采用C30鋼筋混凝土澆筑，溢流面末端設(shè)置消力池。消力池底板高程為1 699.00 m，池寬為10.0 m，長(zhǎng)為31.0 m，邊墻高程為1 706.00 m；消力池側(cè)墻頂寬為1.0 m，內(nèi)側(cè)直墻，外側(cè)坡度為1：0.3，底寬為3.40 m，底板厚為1.0 m，基礎(chǔ)高程為1 698 m，底板和側(cè)墻均采用C30鋼筋混凝土；在消力池底板設(shè)置排水孔，孔距、排距均為3 m。消力池底板與基礎(chǔ)采用Φ25錨桿連接，錨桿長(zhǎng)為4.5 m，梅花型布置，間距和排距均為2.0 m。消力池后設(shè)大塊石海墁，長(zhǎng)為10.0 m，厚為1.0 m。

4.3 取水兼放空管

人畜供水及灌溉供水取水管埋設(shè)于大壩內(nèi)，布置在左岸非溢流壩段壩樁號(hào)0+061.800 m處，壩前設(shè)置取水口，兼有放空的功能，取水口進(jìn)口底板高程為1 714.50 m，高于壩前淤沙高程為1 712.51 m。進(jìn)口設(shè)置3.3 m×2.9 m(寬×高)活動(dòng)式攔污柵，攔污柵后設(shè)置1.5 m×1.5 m的檢修閘門。閘門后設(shè)置漸變段，在漸變段上設(shè)置通氣孔，通氣孔直徑為400 mm圓形孔。取水管管徑為1.0 m鋼管，管周邊采用C20的外包混凝土，外包厚度為1.0 m；取水管長(zhǎng)度為36.500 m，取水管末端設(shè)置閘閥室，閘閥室內(nèi)分出直徑為0.5 m、0.6 m輸水管、直徑為1.0 m放空管、直徑為0.1 m的生態(tài)放水管。放空管和生態(tài)放水管接入溢洪道的消力池內(nèi)，放空管放空時(shí)需要將攔污柵提起。取水口采用C25鋼筋混凝土井筒結(jié)構(gòu)，井筒寬為5.3 m，長(zhǎng)為6.9 m，頂部高程為1 742.0 m，與壩頂同高，啟閉機(jī)室為C25鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)。

5 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 壩頂高程計(jì)算

調(diào)洪計(jì)算成果可知，水庫(kù)校核洪水位為1 740.93 m，設(shè)計(jì)洪水位為1 740.27 m，正常蓄水位為1 738.00 m；風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度D=1 000 m，正常蓄水位時(shí)風(fēng)速Vs=1.5Vm=14.55 m/s，校核洪水位時(shí)風(fēng)速Vm=9.7 m/s。按《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)，壩頂高程等于水庫(kù)靜水位加相應(yīng)壩頂超高[4]，按兩種工況計(jì)算取較大值，即：① 正常洪水位+正常運(yùn)用情況的安全超高；② 校核洪水位+非常運(yùn)用情況的安全超高。壩頂高程計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 壩頂高程計(jì)算成果 m

從表2計(jì)算成果可知，由校核洪水位控制壩頂高程，確定壩頂高程為1 742.00 m。

5.2 大壩穩(wěn)定及應(yīng)力分析

1) 壩體抗滑穩(wěn)定分析

壩線區(qū)巖層產(chǎn)狀167°∠18°，主要發(fā)育4組裂隙：① N40°-50°W/NE∠70°-90°；② N10°-30°E/NW∠60°-80°；③ N40°-60°E/NW∠70°-85°；④ N60°-75°W/NE∠50°-70°。4組裂隙均為陡傾角裂隙，對(duì)壩體深層抗滑穩(wěn)定影響較?。粔尉€處巖層傾向右岸，傾角為18°左右，巖層走向與大壩軸線近垂直，壩基無(wú)緩傾上游或下游的結(jié)構(gòu)面存在；同時(shí)，下游未見(jiàn)跌坎或深潭等臨空面，壩基產(chǎn)生深層滑動(dòng)的可能性較小。因此，大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算只考慮沿建基面滑動(dòng)。結(jié)合胡沖水庫(kù)實(shí)際，設(shè)計(jì)選定2種基本荷載組合和1種特殊荷載組合進(jìn)行分析(見(jiàn)表3)。

表3 壩體應(yīng)力分析荷載組合 m

混凝土重力壩壩體穩(wěn)定采用剛體極限平衡法分析[5-6]，壩基應(yīng)力采用材料力學(xué)法分析，按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)要求公式計(jì)算，分析采用PC1500軟件。壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

從表4可知，壩段抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)基本組合為K=3.078≥3.0，特殊組合為K=3.006≥2.5，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，壩體抗滑穩(wěn)定性較好。

2) 壩體應(yīng)力分析

根據(jù)胡沖水庫(kù)工程特性，C15堆石混凝土的極限強(qiáng)度為15 MPa，按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)6.3.10規(guī)定，混凝土抗壓安全系數(shù)，基本組合為4.0，特殊組合為3.5，則混凝土容許壓應(yīng)力基本組合為3.75 MPa，特殊組合為4.29 MPa；地基容許承載力為2.55～3.63 MPa，取值為3 MPa。壩體應(yīng)力采用材料力學(xué)法進(jìn)行分析，計(jì)算得溢流壩段和非溢流壩段的上、下游面垂直正應(yīng)力成果(如表5所示)。

表5 壩體應(yīng)力計(jì)算成果 MPa

按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)6.3.3及6.3.4規(guī)定，重力壩應(yīng)力不應(yīng)大于壩體混凝土容許壓應(yīng)力，并不應(yīng)大于基巖容許承載力。從表5應(yīng)力計(jì)算成果可知，壩體應(yīng)力計(jì)算成果和地基承載力均滿足規(guī)范要求，且未出現(xiàn)拉應(yīng)力，大壩設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理。

6 結(jié)語(yǔ)

胡沖水庫(kù)壩址兩岸對(duì)稱，山體渾厚，河谷為基本對(duì)稱“V”型。出露巖性為D3s硅質(zhì)巖與炭質(zhì)硅質(zhì)巖不等厚互層，無(wú)構(gòu)造通過(guò)，主要發(fā)育4組陡傾裂隙，且壩區(qū)附近分布有較好的灰?guī)r石料具備重力壩和面板壩建壩條件。為確保樞紐布置設(shè)計(jì)方案具有較高地形地質(zhì)適宜性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，對(duì)大壩壩型、首部樞紐布置和壩體結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行了論證分析和設(shè)計(jì)計(jì)算。

1) 經(jīng)壩型比選，重力壩和面板壩壩型均具有較好地質(zhì)適宜性，且壩址區(qū)地形有利于兩種壩型的首部樞紐布置及施工場(chǎng)地布置。重力壩壩型首部樞紐及大壩永久占地投資較面板壩壩型低469.32萬(wàn)元。按照投資節(jié)省原則，設(shè)計(jì)優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)更優(yōu)的重力壩壩型。

2) 結(jié)合調(diào)洪特征水位，計(jì)算確定壩頂高程為 1 742.00 m。論證結(jié)果表明，不同荷載組合工況下，壩體抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力分布均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)合理，安全穩(wěn)定性高。