五里坝水库工程混凝土面板堆石坝设计

何米杏

(贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550001)

1 工程概况

五里坝水库位于黔南州平塘县通州镇打贵河村境内，拟选坝址所在河流为打贵河，属于珠江流域红水河水系曹渡河右岸一级支流.工程主要任务是向通州工业园区用水、集镇农村人畜饮水及下游农田灌溉供水，水库设计年供水量841.00万m3，其中工业园区年供水量609.00万m3，集镇农村人畜饮水年供水量173.80万m3，灌溉年供水量58.20万m3，下放生态水量为169.20万m3.坝址控制集水面积28.20 km2，校核洪水位902.43 m(P=0.2%)，总库容552.00万m3，工程等别为Ⅳ等，工程规模属小(1)型.正常蓄水位898.00 m，正常蓄水位以下库容461.00万m3；死水位860.50 m，死库容29.10万m3，兴利库容431.90万m31).

1) 贵州省水利水电工程咨询有限责任公司.平塘县五里坝水库工程可行性研究报告[R]，2014.

2 坝址区地形地质条件

坝址河段河谷总体为不对称的宽“V”型谷，左岸坡总体较右岸坡缓，地形坡度20°～35°.右岸坡在高程890 m以下，地形坡度在40°～50°之间，高程在890～910 m，地形坡度在60°～75°之间；910 m高程以上，地形坡度为50°～65°.左岸坡峰顶高程多在1 000 m以上，右岸坡峰顶高程多在1 050m以上.坝址左岸为凹岸，冲刷较强，右岸为凸岸，谷底为农田.河床较平缓，无跌坎、深潭发育.河床高程为840～850 m，落差约10 m左右，平均比降约3.3%，河流总体自东向西流，呈侵蚀地貌.坝址分布地层主要为石炭系下统大塘组旧司段第一层第一小层(C1d1-1-1)，岩性为黑色泥页岩、炭质页岩为主夹少量砂岩，钻探岩芯采取率和完整性均较高，部分岩芯易风化，风化后沿层面裂开，呈薄层、极薄层状，长时暴露于空气中易崩解变色，该层所夹砂岩主要分布于河床高程上下，砂岩所占比例小于10%，C1d1-1-1分布于坝址及两岸940.00 m高程以下，河床局部、陡崖及冲沟底部有出露.岸坡地下水位主要处于风化岩体下部，但总体高于河水位，岸坡地表水、地下水均补给河水，为补给型河流.

3 混凝土面板堆石坝首部枢纽布置

3.1 适宜坝型分析

从地形条件分析，河谷在正常蓄水位898.00 m时对应谷宽为270 m，宽高比为4.5∶1.两岸坡地形不顺直，左岸为凹岸，右岸为凸岸，上、下游均发育有切深不等的冲沟，岸坡不平直，地形条件不宜建拱坝.从地质条件分析，坝址河床及两岸分布地层均为C1d1-1薄至中厚层状炭质泥、页岩，偶夹砂岩.河床段表层有约4 m厚的砂岩，多为强风化，岩体破碎，两岸坡为炭质泥、页岩，薄层状结构，节理裂隙较发育.坝基弱风化岩石单轴饱和抗压强度在35 MPa，岩体强度低，岩体软弱.左岸为顺向坡、右岸为逆向坡，岩层缓倾右岸， 倾角7°～12°，左岸坡覆盖层、风化层厚，岸坡开挖边坡问题突出，右岸坡上部风化破碎及卸荷现象较明显，下部为较厚的覆盖层及风化层，故不宜修建刚性坝.根据地表勘察及钻探成果，综合考虑工程导流、施工技术、综合投资等因素[1]，推荐采用混凝土面板堆石坝进行枢纽布置，其方案为：混凝土面板堆石坝+右岸开敞式溢洪道+右岸取水兼放空建筑物(部分由导流洞改造)组成.

3.2 挡水建筑物布置

大坝坝轴线方位为正北方向，坝顶高程903.40 m，河床趾板布置于弱风化岩体上部，岸坡趾板大部分布置于弱风化岩体上部，靠近两坝肩部分至于强风化岩体中部至中下部.上游坝坡为1 ∶1.41、下游坝坡为1 ∶1.4.混凝土面板厚度从上向下逐渐渐变[2]，面板上游依次为铺盖区、盖重区；面板下游依次为垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区及下游块石护坡.

3.3 泄水建筑物布置

泄水建筑物为4级，设计洪水50年一遇，下泄洪水流量181.00 m3/s；校核洪水500年一遇，下泄流量294.00 m3/s；消能防冲建筑物洪水20年一遇，下泄洪水流量138.00 m3/s.溢洪道布置在右岸，紧挨着大坝右坝肩，为岸边正槽式溢洪道，其平面布置图(见图1).

图1 岸边正槽式溢洪道平5面布置图

溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段和消能段组成.引渠段为溢0-042.00～0+000.00，底板高程895.00 m.控制段为溢横0+000.00～0+012.44，溢流堰分2孔，净宽2×7.5 m，开敞式溢流.溢流堰采用WES曲线，堰顶高程898.00 m，幂曲线y=0.172X1.85，溢流堰上游用长半轴0.90 m、短半轴0.50 m的椭圆与上游坡相接.泄槽段为溢横0+012.44～0+167.57，矩形断面，宽15.00 m，侧墙高3.0 m，宽1.00 m，底板厚0.50 m，底坡i=0.344，最大流速26.56 m/s，采用C40钢筋混凝土.消能段为溢横0+167.57～0+208.57，出口消能工采用底流消能，消力池长40.00 m，坎高4.00 m，坎为厚1.00 m的C40钢筋混凝土.消力池底板高程836.50 m，底板厚1.5 m，从上而下为0.5 m厚C40钢筋混凝土和1.0 m厚C15混凝土基础，侧墙净高8.0 m，顶宽1.5 m，底宽3.75 m，内侧衬砌1.0 m厚C40钢筋混凝土，外侧均采用C15混凝土浇筑.

3.4 取水兼放空建筑物布置

取水兼放空管建筑物布置在大坝右岸，由引水段、塔式取水口、隧洞段及隧洞出口段组成[3-4].受地形条件影响，取水口与导流洞进口分开布置.为减少工程投资，部分取水隧洞由导流洞后期改造而成，然后洞内布置取水兼放空管.引水段总长40.00 m，底板高程856.00 m，净宽7.60 m.塔式取水口总长10.40 m，进口底板高程857.00 m.在塔式取水口进口设置一拦污栅，尺寸为3.6 m×2.8 m(宽×高)，拦污栅后设一扇平板事故闸门，尺寸为2.0 m×2.0 m(宽×高)，工作闸门后设1.0 m×1.0 m(长×宽)通气兼进入孔.取水隧洞总长488.33 m，取0+000.00～取0+010.40为取水口进口；取0+010.40～取0+112.83新建取水隧洞，底坡i=0.045 2；取0+112.83～取0+498.56隧洞由导流洞改造而成，底坡i=0.025 6；隧洞洞身采用城门洞型，净宽2.8 m，净高4.0 m，出口底板高程842.50 m.Φ1 200 mm取水兼放空钢管在隧洞出口经过闸阀室后接入消力池内，在闸阀室分出一根Φ700 mm钢岔管作为工业园区及人饮取水管，分出一根Φ300 mm钢岔管作为下游灌溉输水管，分出一根Φ200 mm钢岔管，作为生态水用.

4 混凝土面板堆石坝结构优化设计计算

4.1 坝顶高程

大坝为4级建筑物，面板堆石坝按50年一遇洪水设计和500年一遇洪水校核的控制工况来确定坝顶高程.根据调洪计算结果，大坝设计洪水位为901.21 m，校核洪水位为902.43 m，正常蓄水位为898.00 m，风区长度(吹程)D=1 000 m，正常条件设计风速W=18 m/s，非正常条件下设计风速W=12 m/s.按《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)及《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL228-2013)相关规定[5-6]，坝顶高程按正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位+正常运用情况的墙顶超高3种运用工况进行分析，坝顶高程计算成果(见表1).

表1 坝顶高程计算成果表

从表1可知，坝顶高程的控制情况为校核洪水位情况，最终选定坝顶高程为903.40 m，防浪墙高出坝顶1.20 m，防浪墙顶高程为904.60 m.

4.2 坝顶标准剖面

坝顶高程903.40 m，河床趾板建基面高程836.00 m，最大坝高67.40 m，坝顶宽度7.80 m，坝顶长269.06 m.上游侧设“L”型防浪墙，墙高3.70 m，顶部高程904.60 m.防浪墙上游底部设置1.0 m宽的小道以利检查行走.防浪墙与面板间用止水连接.大坝堆石料为灰岩，上游坝坡为1 ∶1.41、下游坝坡为1 ∶1.4，下游综合坝坡为1 ∶1.492，下游坝坡分别在高程868.00 m、886.00 m高程处设置2.0 m宽的马道.混凝土面板厚度从上向下渐变，面板顶部厚度为0.30 m，底部最大厚度为0.67 m，下游面为干砌块石护坡，厚0.50 m，坝体标准剖面(见图2).

图2 面板堆石坝典型横剖面图

从图2可知，坝体分区为上游盖重区1B(顶部宽3 m，坡比1 ∶2.5，高程859.00 m)，上游铺盖区1A(顶部水平宽3 m，坡比1 ∶2.0，顶部高程859.00 m)，C25混凝土面板F(厚t=0.30～0.67 m)，特殊垫层区2B，垫层区2A(水平宽度3 m)，过渡区3A(水平宽度3 m)，主堆石区3B(上游坡1 ∶1.41，下游坡1 ∶0.5)，下游堆石区3C(上游坡1 ∶0.5，下游坡1 ∶1.4)，下游块石护坡3D(厚0.5 m).上游坝坡为1 ∶1.41、下游坝坡为1 ∶1.4，下游综合坝坡为1 ∶1.492，下游坝坡分别在高程868.00 m、886.00 m高程处设置2.00 m宽的马道.混凝土面板厚度从上向下逐渐渐变，面板顶部厚度为0.30 m，底部最大厚度为0.67 m，下游面为干砌块石护坡，厚0.50 m.

垫层料最大粒径为80 mm，小于5 mm颗粒的含量为35%～55%，小于0.075 mm的颗粒含量控制在0%～8%，设计干密度≥2.18 t/m3，孔隙率≤19%，渗透系数10-3cm/s.垫层区的上游坡面要求认真修坡、压实，以便混凝土浇筑.过渡料最大粒径为200～300 mm，小于5 mm颗粒的含量为20%～30%，小于0.075 mm的颗粒含量控制在0%～5%，设计干密度≥2.15 t/m3，孔隙率≤20%，渗透系数10-2～10-3cm/s.主堆石料最大粒径为500～800 mm，小于5 mm颗粒的含量为0%～20%，小于0.075 mm的颗粒含量控制在0%～5%，设计干密度≥2.13 t/m3，孔隙率≤21%，渗透系数10-1～10-2cm/s.下游堆石区最大粒径为800 mm，小于5 mm颗粒的含量为0%～20%，小于0.075 mm的颗粒含量控制在0%～5%，设计干密度≥2.1 t/m3，孔隙率≤22%，渗透系数10-1～10-2cm/s.为封堵面板可能出现的裂缝以及张开的周边缝和板间缝，在上游坝面高程859.00 m以下设置粉砂土铺盖及石渣盖重.回填粘土渗透系数不大于1×10-5cm/s，用运输机械分层压实；回填石渣为任意料，亦要求用运输机械与粘土料同时分层压实.

4.3 坝基处理

坝基开挖，开挖边坡为：弱、强风化基岩边坡1 ∶0.75，覆盖层边坡1 ∶1.将趾板、垫层和过渡层设于强风化岩体下部或弱风化岩体上部，开挖深度12～22 m.堆石基础只需将表层覆盖层挖除即可.坝基防渗采用水泥帷幕灌浆，按单排布置于趾板上，最大孔深约27.83 m，两岸帷幕由地面开孔，坝体帷幕由趾板顶面开孔.在河床部位帷幕灌浆最低高程为820.64 m，深度为15.96 m，按单排布置于坝基上游侧，孔距2.0 m；左右岸帷幕均采用地面平台灌浆的方式，孔距2.0 m，最大孔深约29.27 m.防渗帷幕线总长392.39 m.为避免帷幕灌浆时破坏趾板，造成灌浆时漏浆不起压，在趾板及趾板下游水平防渗段范围内进行固结灌浆和喷锚支护：在趾板基础布置4排固结灌浆孔，排距2.0 m，间为2.0 m，孔深5.0 m，梅花形布置，总进尺4 300 m.在趾板基础布置锚杆，河床段趾板设Ф25锚杆，L=4.5 m，间排距均为2.0 m.

5 结 语

(1)根据坝址地形地质条件，结合水库蓄水库容、枢纽布置、工程导流、施工技术和综合投资等综合因素，推荐混凝土面板堆石坝枢纽方案，溢洪道及过水隧洞布置于右岸.

(2)按SL274-2001和SL228-2013相关公式进行计算，确定大坝坝顶高程为903.40 m，防浪墙顶高程为904.60 m，设计采用厚0.3～0.67 m变厚的C25混凝土面板.

(3)工程具有良好的社会效益和经济效益，后期需对坝址区地质条件和坝肩边坡稳定性进行深入研究，以为施工提供重要的设计指导.

参考文献：

[1] 康军红.双峰寺水库大坝坝型比选[J].水科学与工程技术，2013(2):44-17.

[2] 高红民，梁 谦.红瓦屋溢流面板堆石坝设计研究[J].中国农村水利水电，2006(12):120-122.

[3] 吕生玺，温续余，庞晓岚.洮河九甸峡水利枢纽工程混凝土面板堆石坝设计[J].水利水电技术,2005(11):48-51.

[4] 马勋骋.街面水电站混凝土面板堆石坝主要技术问题探讨[J].水利科技与经济,2006(10):697-699.

[5] 中华人民共和国水利部.SL274-2001碾压式土石坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2002.

[6] 中华人民共和国水利部.SL228-2013混凝土面板堆石坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2013.