代冲溪水库砼砌毛石重力坝优化设计研究

刘 军，谭剑波

(1.贵州众诚天河水利工程有限公司，贵阳 550003； 2.杨凌职业技术学院 水利工程学院，陕西 杨凌 712100)

1 工程概况

代冲溪水库位于贵州省锦屏县敦寨镇笋屯村境内，距锦屏县城约24 km，距敦寨镇约2.5 km。其坝址位于长江流域沅江水系清水江二级支流(亮江为一级支流)代冲溪下游河段。坝址集雨面积5.04 km2，主河道长6.4 km，河床平均比降31.38‰。水库总库容149×104m3，供水量为171.01×104m3(扣除生态水)，坝型为C15砼砌毛石重力坝，最大坝高61 m。工程供水对象为下游敦寨新区-敦寨居住区，设计引水流量0.085 m3/s。工程为Ⅳ等小(I)型工程。

2 库区水文地质条件

库区多为第四系(Q)地层所覆盖，仅近库盆冲沟底部陡坡陡坎处出露少量基岩。第四系(Q)主要为冲、洪积物、崩坡积物及坡残积物。冲、洪积物主要分布于库盆冲沟及支沟底部，崩坡积物主要分布于库盆冲沟及支沟陡坡下部，坡残积物主要分布于沟谷两岸坡上部缓坡及缓坡平台地带。基岩地层为元古界震旦系下统长安组第一段(Zac1)及前震旦系板溪群隆里组第二段(Ptbn2)，其中长安组第一段可分为上下两层(Zac1-1、Zac1-2)，库区范围内上、下两层均有出露，多位于库首，隆里组第二段(Ptbnl2)多出露于库区中部及尾部。

库区位于同古向斜西北翼与钟灵断层构成的三角形地带，距西北侧钟灵断层约2.1 km，距南东侧同古向斜约0.4 km。岩层产状N35°～45°E，SE∠16°～26°，岩层总体为单斜构造，库区无区域性断层通过。库区物理地质现象主要表现为岩体风化剥蚀作用、岸坡岩体崩塌，无滑坡、泥石流等不良地质体。库区处于非可溶岩地区，属于中亚热带季风湿润气候，降雨较为充沛，多年降雨量为1 119.5 mm，流域内最大年降水量1 659.7 mm(1968年)，最小年降水量为750.8 mm。地表及地下水主要接受大气降水补给，向代冲溪排泄。区内地下水类型为覆盖层中孔隙潜水和基岩裂隙水。库区所在冲沟为斜向谷，岩层视倾下游偏右岸，岩层倾角较缓，一般15°～25°，两岸山体较为宽厚。库盆地形封闭较好。库区发育的小断层，透水性小。据钻孔水位观测，左岸近岸地下水水力坡度一般15°～25°，右岸近岸一般10°～20°，结合库区地表水及泉水出露情况分析，两岸地下水位高于正常蓄水位。

3 砼砌毛石重力坝结构布置

3.1 首部枢纽布置

首部枢纽布置为：大坝+坝顶开敞式溢洪道+取水兼放空底孔等组成，见图1。

图1 砼砌毛石重力坝枢纽布置图

3.1.1 挡水建筑物

大坝为4级建筑物，洪水标准按30年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。大坝为C15砼砌毛石重力坝，轴线方位角为 N1.05°E，最大坝高61 m，坝顶宽6 m，坝底最大宽49.85 m，坝顶长153.42 m，分为左右岸非溢流坝段和河床溢流坝段。左岸非溢流坝段长62.50 m，右岸非溢流坝段长73.92 m，河床溢流坝段长17 m。在重力坝上下游均设齿墙。坝体横缝间距为20～25 m，缝宽为0.02 m，上游迎水面设两道铜片止水，下游背水面设一道铜片止水。

3.1.2 溢洪道

溢流采用坝顶开敞式溢洪道，位于大坝中段，堰顶高程446.00 m，溢流段净宽14 m，分2孔布置，每孔净宽7 m，溢洪道水平长度49.85 m。末端采用底流消能，坝脚设长25.00 m的 C25钢筋混凝土消力池，消力池深为3.0 m。

3.1.3 取水兼放空系统

取水兼放空底孔系统位于大坝左岸，设1.60 m×1.30 m拦污栅和1.00 m×1.00 m平板闸门各1扇，后接放空钢管。钢管管径0.8 m，末端设闸阀室控制放空、输水及生态放水，总长40.80 m。

3.2 坝体结构布置及坝基处理

3.2.1 坝体结构布置

坝顶宽度为6 m，坝顶高程为449.00 m，坝体上游从坝顶408.00 m铅直，408.00 m～坝基坡比1∶0.2。大坝下游坡比1∶0.75，起坡点高程为441.00 m。最大坝底宽度为49.85 m，坝体建基面高程388.00 m，最大坝高61 m，坝顶长153.42 m。左岸上坝公路与坝顶相接，坝顶中部溢洪道上部设宽6 m的交通桥连接左右坝段，大坝坝顶上下游均设高1.2 m的C15砼预制栏杆。在坝体内设置灌浆兼排水廊道。在坝体高程408.00 m布设水平廊道，并在两岸下游431.00 m高程处设置廊道出口，左右岸廊道坡比为1∶1～1∶1.25，廊道距上游坝面4.0 m，为城门洞形(b×h=2.5 m×3.5 m)。坝体内设置排水管幕，到上游坝面距离4 m，排水管采用内径为150 mm的无砂多孔砼管，间距3 m。

3.2.2 坝基处理

3.2.2.1 基础开挖

大坝基坑边坡开挖高度较高，需进行放坡开挖，尤其是两坝肩边坡开挖深度更高更陡。在坝底(高程388.00 m)～坝顶(高程449.00 m)范围内，左右岸均采用坡比1∶0.5进行放坡开挖，10 m设置一级马道，马道宽5.0 m。两岸及河床上下游弱风化层采用1∶0.5进行放坡开挖,强风化层采用1∶0.75进行放坡开挖，覆盖层采用1∶1进行放坡开挖。

3.2.2.2 大坝防渗帷幕灌浆、固结灌浆

大坝建成后，库水会沿河谷坝基岩石中的裂隙、坝体向大坝下游渗流，需对坝基、坝肩进行帷幕和固结灌浆处理[1，2]。帷幕灌浆设计采用单排孔，孔距3 m，帷幕灌浆孔的最终影响范围为最终孔距的75%，即2.25 m，按三序孔进行施工。设计孔口高程在坝基、坝肩部位为坝基开挖线以上1.5 m，不得小于1.5 m。起灌高程在两岸坡为正常蓄水位高程，在坝基、坝肩为坝基以上1.0 m。帷幕边界以地下水位与正常蓄水位高程相交为准，帷幕防渗底限在坝基以下15 m左右，并且要求岩石透水率小于3 Lu。帷幕线长363 m，孔距3 m，共布灌浆孔122个。帷幕灌浆造孔总进尺6 776 m，其中灌浆进尺4 418 m，无效进尺2 357 m。

固结灌浆处理全部坝基，均布置于帷幕灌浆孔下游，固结灌浆底界为坝基以下岩石5～8 m，边界为整个坝基范围，孔口高程为建坝1.5 m以上，设计固结灌浆孔共14排。第一排固结灌浆孔布置在帷幕灌浆孔上游，第二排固结灌浆孔布置于帷幕灌浆孔下游，以此类推至第十四排灌浆孔，排距及孔距均为3.0 m，共计445个孔，呈梅花型布置，按Ⅰ、Ⅱ序孔进行施工。设计坝体固结灌浆造孔总进尺7 985 m，其中灌浆进尺3 738 m，坝体无效进尺4 247 m。固结灌浆检查孔按总孔数10%布置。

4 砼砌毛石重力坝结构优化设计计算

4.1 坝顶高程确定

根据调洪计算成果，大坝设计洪水位447.36 m(P=3.33%)，相应下游水位405.33 m，下泄流量43.30 m3/s，对应库容为146×104m3；大坝校核洪水位447.73 m(P=0.5%)，相应下游水位405.50 m，下泄流量62.20 m3/s，对应库容为149×104m3；消能防冲洪水标准P=5%时，大坝上游洪水位447.28 m，相应的下游洪水位405.29 m，下泄流量39.50 m3/s，对应库容为145×104m3；水库正常蓄水位为446.00 m。根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2005)[3,4]，坝顶高程应高于校核洪水位，墙顶高程=水库静水位+坝顶超高Δh。坝顶高程计算考虑两种工况：①正常高水位+正常运行条件下的墙顶超高；②校核洪水位+非常运行条件下的墙顶超高。计算各工况条件下坝顶高程成果见表1。

表1 坝顶高程计算成果表

防浪墙顶高程由设计洪水位工况控制，考虑溢洪道交通桥孔净高满足泄洪要求，坝顶高程按不低于水库校核洪水位447.73 m确定，溢洪道交通桥梁高为1.0 m，综合考虑选取坝顶高程为449.00 m。由于坝顶高程比计算的防浪墙顶高程要高，故坝顶不设防浪墙。

4.2 大坝抗滑稳定及应力分析

4.2.1 大坝抗滑稳定分析

基岩体为层状结构，主要结构面以面层为主，岩层以缓倾下游偏右岸，与河床走向呈斜交。根据层面与裂隙的组合，重力坝的滑动模式有以下两种：表层滑动和深层滑动。据钻孔揭露，层面发育，陡倾角裂隙发育，软弱夹层及缓倾角裂隙不发育，并且多为硬性结构面，河床下游附近无临空面存在，不能完全构成坝基深层滑移的边界条件，坝基深层滑动的问题不突出。因此，只有沿建基面滑动的可能[5]。表层滑动：沿开挖基岩面与混凝土接触面①产生滑移，抗滑力由坝体自重及滑动面物理力学性质所决定，见图2。

图2 坝基浅层抗滑稳定示意图

4.2.1.1 抗滑稳定计算物理参数及荷载组合

筑坝材料容重γc=23.50 kN/m3；水容重γw=9.8 kN/m3；淤沙浮容重γsb=6.5 kN/m3；淤沙高度Hs=21.85 m；C15砼砌毛石坝体抗压强度fk=2.6 MPa；垫层砼/基岩摩擦系数f′=0.8；坝基承载力为2.5 MPa；垫层砼/基岩凝聚力C′=0.70 MPa；主排水孔渗压系数α=0.3。

抗滑稳定和应力计算的荷载组合分基本组合和特殊组合两种[6]，即正常蓄水位基本组合①：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+土压力+其他荷载；设计洪水位基本组合②和特殊组合③：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力+土压力+其他荷载。

4.2.1.2 坝体抗滑稳定计算

按抗剪断强度公式，按规定计算工况进行大坝抗滑稳定计算，计算成果见表2。

表2 大坝抗滑稳定计算成果表

从表2可知，采用抗剪断强度公式计算，基本组合时安全系数K′值均大于3.0，最小为3.11；特殊组合时均大于2.5，最小为3.07，均满足规范要求，坝体抗滑稳定性较高。

4.2.2 坝体应力分析

坝体材料为C15毛石砼重力坝，将坝体视为一个刚体[7,8]。根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2005)，计算得到运用期(2种基本组合工况和1种特殊组合工况)和施工期各坝段处的应力计算成果，见表3。

表3 大坝应力计算成果表

坝体材料为C15毛石砼重力坝，要求坝体应力控制指标为：①运用期：坝基面最小应力要求>0.0 MPa，最大应力<2.5 MPa；坝体最小主应力≥0.0 MPa，最大应力<2.6 MPa；②施工期：坝基面最小应力要求>-0.10 MPa，最大应力<2.5 MPa；坝体最小主应力>-0.20 MPa，最大应力<2.6 MPa。由表3可知，大坝坝基面和坝体最大、最小应力均满足规范要求。

5 结 论

代冲溪水库坝址区河谷谷底较狭窄，呈对称V型。库区位于华南褶皱带，区内断裂无活动表现，为相对稳定的构造单元，库盆区地形封闭性好，成库条件较好。为确保水库枢纽建筑物具有较高安全可靠性，在挡水大坝整体布置和结构计算中进行了详细论证分析，优选技术合理和经济优越的设计方案，为工程施工建设提供重要设计技术保障。

1) 根据库区地形地貌和水文地质条件，结合筑坝材料、施工度汛等因素，设计优选工程量较省、投资经济效益高和施工度汛风险较小的C15砼砌毛石重力坝方案。

2) 结合调洪计算，最终确定坝顶高程为449.00 m，坝顶不设防浪墙。经坝基固结灌浆、帷幕灌浆防渗和坝肩边坡锚喷支护加固等工程处理措施后，库盆区成库条件良好。

3) 根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2005)规范，结合地质分析成果，对优化后的坝体结构抗滑稳定性和应力进行分析计算。结果表明，在不同荷载组合工况条件下，坝体抗滑稳定安全系数和坝基面与坝体应力等特征指标均满足规范要求。