应县小石口水库工程大坝设计

康振生

（朔州市水利勘测设计院，山西 朔州 036002）

1 概况

小石口水库属于桑干河流域，位于应县县城东南方向的小石峪河上，坝址距县城约20km，距出山口的小石口村约4km，水库大坝采用混凝土面板堆石坝，坝高46.3m，总库容317万m3，工程规模为小（一）型，工程等别为Ⅳ等。枢纽主要建筑物大坝、泄洪排沙洞、溢洪道的级别为4级，次要建筑物的级别为5级，临时性挡水和泄水建筑物为5级。

1.1 水文及气象条件

小石峪流域属干旱半干旱大陆性季风气候，冬季寒冷，春季干旱多风，夏季雨量集中。多年平均气温7.2℃，最高气温36.5℃，最低气温-29.5℃，多年平均降水量363.1mm，多年平均蒸发量为1818mm，最大冻土深度1.16m。

1.2 工程地质

工程库区左右岸主要为岩质岸坡，局部为土质岸坡。库区地质构造简单，主要为单斜岩层。库区不存在永久渗漏问题，主要是淤积问题。坝址工程地质条件较好，左右坝肩岩体工程特性较好，主要存在绕坝渗漏问题。

2 工程选址、选型与布置

应县目前已对7座长期不具备蓄水、防洪隐患较大的小型水库进行了报废处理，报废总库容298万m3，为了满足当地群众农业灌溉生产的需求，需新建小石口水库。

2.1 工程选址、选型

2.1.1 坝址比选

经现场实地踏勘，在石峪沟初选上、下两个坝址。上坝址位于小石口村上游约4.0km河道转弯处，下坝址位于上坝址下游约900m处。经综合分析，上坝址从库容条件、地形、地质条件、建筑物布置以及施工条件等方面均优于下坝址，因此，选用上坝址。

2.1.2 坝型比选

因当地石料比较丰富且满足筑坝质量要求，考虑面板堆石坝方案与堆石混凝土重力坝方案进行比选。

混凝土面板堆石坝可以就地取材，坝体适应地基变形能力强，施工技术简单，工序之间干扰较小。

堆石混凝土重力坝筑坝材料强度高，耐久性好，泄洪建筑物能结合大坝布置，不需另设岸边溢洪道。但堆石混凝土重力坝坝体施工工艺复杂，技术要求高，造价高。混凝土施工受气候影响大，对坝基要求高，基础处理复杂。

综合以上条件，结合运行管理、工程量及投资等方面，决定采用混凝土面板堆石坝方案。

2.2 工程布置

水库枢纽工程，由混凝土面板堆石坝、溢洪道、导流泄洪洞、取水建筑物等组成。

大坝设计为混凝土面板堆石坝，坝顶长145m，坝顶宽6m，坝顶高程1318.5m，最大坝高46.3m。大坝上、下游坝坡均为1∶1.4，下游坝坡在高程1304.5m和1290.5m处设有2m宽的马道。

溢洪道为坝肩开敞式溢洪道，布置于水库左岸左坝头，溢洪道总长138.59m。控制段采用驼峰堰，堰顶高程1313m，设2孔，每孔净宽7.5m，无闸门。泄槽底坡为1∶2.0，出口挑流鼻坎顶高程为1279.43m。

泄洪洞布置在左岸，位于溢洪道左侧，总长179.49m。泄洪洞进口设岸边式进水塔，进口底高程1285.6m，工作闸门和检修闸门均设置于进水塔内，隧洞纵坡1/100，无压洞，出口底高程1282.46m，出口挑流鼻坎顶高程1285.13m。

3 主要建筑物设计

3.1 大坝

3.1.1 坝顶结构设计

水库采用混凝土面板堆石坝，坝顶长145m，坝顶宽6m，坝顶高程1318.5m，趾板底面最低高程1272.2m，趾板下设单排灌浆帷幕，孔距为2m，灌浆深度为35m。最大坝高46.3m。坝顶上游侧设L型C25钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程1319.7m，墙底高程1315.2m，墙高4.5m，顶宽40cm，底宽4.0m。防浪墙上游侧底部设置宽0.8m的小道，以利检查行走。坝顶下游侧设高0.8m预制混凝土块路缘石。坝顶为水库内部交通道路，采用C25混凝土路面，厚22cm，其下设20cm厚水泥稳定碎石垫层。路面横向坡度2%，坡向下游。

3.1.2 坝坡设计

坝坡的选择是根据山西省水利厅2013年9月编制的《小型水库更新建设工程设计文件汇编》，小于50m坝高上、下游坝坡均为1∶1.4，下游坝坡在1304.5m和1209.5m高程设马道，宽度2.0m。下游采用干砌块石护坡，厚度40cm。

3.1.3 坝体分区与坝料选择

坝体堆石分区填筑，分层碾压，碾压应采用进退错距法，坝体堆石分区上游到下游依次分为：上游铺盖区、上游盖重区、垫层区、特殊垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区、下游护坡区。

上游铺盖区：采用粉土、粉细砂填筑，顶宽2m，上游坡比1∶1.75。

上游盖重区：采用渣料填筑，顶宽5m，上游坡比1∶2.5。

垫层区：要求具有连续级配，石料最大粒径80mm，小于5mm的颗粒含量为30%～50%，小于0.075mm的颗粒含量不超过8%。垫层水平宽度3.0m，铺筑层厚度40cm，设计孔隙率不大于16%。压实后应具有内部渗透稳定性、低压缩性、高抗剪强度。

特殊垫层区：该区为趾板周边缝下的特殊垫层区，薄层碾压密实。石料最大粒径40mm，小于5mm的颗粒含量为30%～50%，小于0.075mm的颗粒含量不大于8%，铺筑层厚度20cm，设计孔隙率不大于15%。

过渡区：要求级配连续，石料最大粒径300mm，小于5mm的颗粒含量不大于20%，小于0.075mm的颗粒含量不超过6%。过渡区水平宽度3.0m，铺筑层厚度40cm，设计孔隙率不大于19%。压实后应具有低压缩性和高抗剪强度，并具有自由排水性能。

主堆石区：最大粒径800mm，小于5mm的颗粒含量不大于20%，小于0.075mm的颗粒含量不超过5%。铺筑层厚度80cm，设计孔隙率不大于21%。压实后能自由排水，有较高的压实密度和变形模量。

下游堆石区：石料最大粒径800mm，小于5mm的颗粒含量不大于20%，小于0.075mm的颗粒含量不超过5%。铺筑层厚度80cm，设计孔隙率不大于25%。

坝体下游面护坡：要求护坡块石料有较高的抗风化能力，采用从石料场开采的块石。护坡厚度采用40cm，平均粒径25cm，最大粒径30cm。

3.2 溢洪道

溢洪道为坝肩开敞式溢洪道，由引渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段组成，布置于水库左岸左坝头，沿坝体左坝坡线斜交布置，最大泄量358.10m3/s，溢洪道总长138.59m。

引渠为喇叭进口，断面为矩形，轴线长30.82m，平底，底高程1312.05m。底板和边墙为整体结构，右边墙与坝体面板相接，采用C25钢筋混凝土整体浇筑，底板与边墙厚均为500mm，左侧边墙采用直径22长3m的砂浆锚杆与岸坡岩石连接，锚杆间距2m。

控制段座落于基岩上。净宽2×7.5m，进口为驼峰堰，堰顶高程1313m，为无控制驼峰堰，驼峰堰上设一中墩，厚1.0m，中墩上、下游墩头为半圆形，两侧边墩厚0.8m、底板厚1.0m，采用C25钢筋混凝土整体式结构。在墩顶部设交通桥连接两岸公路，桥面高程1319.30m，桥宽6.0m，为现浇C40钢筋混凝土T型梁组成。

泄槽段长67.66m，净宽16m，包括抛物线连接段和陡坡段。抛物线将控制段和陡坡段连接，陡坡段底坡为1∶2.0，下游接挑流段。泄槽为矩形槽，边墙底板为整体式，底板厚0.5m。边墙高6.45～2.35m，左、右岸宽0.5m，墙后直挖，墙顶以上开挖坡度1∶0.5。为防止泄槽磨蚀破坏，边墙及底板均采用C35抗冲磨混凝土。为增强泄槽底板的稳定性，减小泄洪时底板上脉动压力，在泄槽底板上按梅花形布设长2.0m直径22mm锚杆，间距、排距均为2.0m。底板布设情况设2条纵缝；沿水流方向每10m（水平面间距）设一横缝。纵、横缝均为平缝，缝内设橡胶止水。

挑流鼻坎顶高程1279.43m，反弧半径18m，挑角20°。挑流鼻坎段边墙高2.35～4.25m，墙顶宽度0.5m，控制底板最薄处厚度1.5m。鼻坎上、下游设齿槽，根据地质情况，上游齿槽深1.5m，下游齿槽深4m，底宽为1.0m，内侧边坡1∶0.3。边墙和底板均为钢筋混凝土结构，在迎水面各设30cm厚C35抗冲磨混凝土，提高挑流的抗冲耐磨能力，其余部分均为C25混凝土。挑流鼻坎下游出口段底高程1276.84m。

泄槽段及挑流段的纵、横缝内均设橡胶止水。泄槽段底板下设纵、横排水沟形成排水系统，通过挑流鼻坎段底板埋管再排入下游河道。

3.3 导流泄洪洞结构设计

导流泄洪洞由进口段、闸室段、无压洞段、挑流段及出口段五部分组成。

3.3.1 进口段

桩号X0-015.54～X0-013.50为进口段，进口明渠段断面呈梯形，平底，底高程1285.60m，边墙为基岩上直接削坡而成，开挖边坡为1∶0.3，为防止岸坡风化坍塌，在基岩开挖后及时采用C20混凝土对开挖基岩面进行喷护处理，对岩石破碎部分，再以长2.0m的直径22mm锚杆加以支护。

3.3.2 闸室段

桩号X0+000.0～X0-013.50为岸坡式进水塔闸室段，长13.50m，总宽7.0m，闸室底板高程1285.60m，进水塔顶高程1318.50m，高32.9m。闸室内上游设平板事故检修闸门1扇，下游设平板工作门1扇，平板检修门的孔口尺寸为（宽×高）4.0m×4.0m；平板工作门的孔口尺寸为（宽×高）4.0m×3.6m，检修平台设在进水塔顶部1318.50m处。检修平台与启闭平台之间设置C30钢筋混凝土排架相连，排架高8.50m，排架上部启闭机房为砖混结构，室内布置三台卷扬机（一台启闭检修门，一台启闭工作门），平面尺寸7.0m×10.55m，高4.0m。在检修平台和启闭平台之间设钢梯。

进水塔塔身边墙厚1.5m，中间隔墙厚度为1.0m，上、下游边墙厚度分别为1.0m、1.2m，底板厚1.5m，上，下游设齿槽，深1.5m，齿槽底宽0.8m。

3.3.3 压洞段

桩号X0+000.00—X0+130.0段为无压洞段，长130m，底坡1/100，下游接挑流段。无压洞断面为城门洞型，净宽4.0m，直墙高4.6m，洞净高5.4m。

考虑无压洞进口10m、出口20m为Ⅴ类围岩，其余围岩类别为Ⅲ类，因此隧洞进、出口开挖后，进行全断面喷锚支护，其余洞段根据实际情况喷护。无压洞衬砌厚度为50cm，考虑隧洞抗气蚀、抗磨蚀要求，全断面设C35抗冲磨混凝土。

3.3.4 挑流段及出口段

桩号X0+130—X0+144.45段为挑流段，底宽由4m扩散到7m，扩散角5.93°，侧墙高5.4～5.79m其中，桩号X0+130～X0+135.12为抛物线段，矩形断面，桩号X0+135.12～X0+144.45为反弧段，反弧半径20m，挑角20°，鼻坎顶高程1285.13m，反弧底高程1283.92m，反弧末端设深3.0m、底宽1.0m的齿墙。为确保挑流段底板的稳定，采用直径22mm锚筋与基岩连接，锚筋长2.0m，间距2.0m，梅花型布置；出口洞顶岩石开挖后，根据实际情况采用挂网喷锚支护，喷混凝土强度等级C20，厚度10cm，挂网筋采用直径8mm，间距20cm×20cm，锚筋采用直径22mm，长2.0m，梅花型布置。

桩号X0+144.45—X0+163.95段为出口段，出口段开挖底高程1282.46m。

该隧洞主要起导流和泄洪的作用，运行期考虑水库排沙，结合坝高尽量不超过50m，确定隧洞断面采用城门洞型，净断面尺寸为4m×5.4m。

4 施工

4.1 施工条件

坝址附近有大石线公路，可通往应县县城和繁峙县城，附近有G18高速公路，因此工程对外交通比较方便。工程所用混凝土粗、细骨料全部外购，块石料在料场开采。

4.2 施工导流

采用全断面一次拦断河床围堰导流方式，上下游围堰挡水，导流泄洪洞导流。为充分利用开挖料，围堰采用土石围堰。

上游围堰长48m，最大堰高8.54m，顶宽为6m。围堰上、下游边坡均为1∶2.0。围堰堰体采用复合土工膜防渗，复合土工膜设在堰体上游，堰基采用粘土截水槽防渗。

下游围堰长40m，最大堰高2.0m，堰顶宽6m。上下游边坡均采用1∶1.5，迎水面采用编织袋土防护厚0.5m，堰基不考虑防渗。

施工导流的泄水建筑物利用永久工程的泄洪洞。

4.3 施工总布置

生活区布置在大坝下游右岸的沟地上，混凝土浇筑系统采用集中布置的形式，布置在大坝下游左岸现有公路临河侧填筑的台地上，分别设置混凝土拌和站及相应的水泥仓库（水泥储罐）、骨料堆场。

5 工程管理

管理站设综合办公组、工程管理组。负责大坝、泄洪洞、溢洪道等的管理，包括水库的管理调度、水文测验及预报、水工建筑物及机电金属结构设备的维护与修理等。