毛竹林水库混凝土面板堆石坝设计

赵志远，龙明星，李斌旭

(1.贵阳市水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550000；2.西安理工大学，陕西 西安 710048)

1 工程概况

毛竹林水库位于开阳县龙水乡，距开阳县城直线距离仅32km，是一座以解决构皮滩电站水库淹没搬迁龙水乡移民的农田灌溉及生活用水的水源工程。坝址以上集雨面积8.1km2(其中地下集雨面积6km2)，年平均径流量394×104m3。大坝最大坝高38.5m，正常蓄水位885.50m，死水位873.20m，调节库容65.5×104m3，总库容110×104m3。工程主要由混凝土面板堆石坝、右岸岸边开敞式溢洪道、导流兼放空及引水(三洞合一)隧洞等组成。工程等别为Ⅳ等，规模属小(1)型。水库建成后，每年可提供276.6×104m3饮用水和环境用水，这将有效解决龙水乡人民基本生活用水和基本农田用水问题。

2 坝址地质条件评价及坝型比选

毛竹林水库坝址位于霍麻沟中段，河流流向自东向西，呈“V”型谷。由于坝段所在的河谷地形受左右岸冲沟的切割，以及河容宽度的限制，往上移则库容无几，往下移则断面增大，坝址选择具有唯一性。坝址河谷底宽30m，两岸自然边坡坡角均为40°左右，较为对称。出露地层均为下寒武统金顶山组(∈1j)粉砂岩及砂质页岩，岩层产状右岸为倾向300°～310°倾角12°～14°，左岸为倾向125°～135°倾角3°～5°，岩层产状与河谷之间关系属斜向谷，但由于岩层倾角较小，故斜向谷结构对工程的影响较小。

坝址出露的地层为下寒武统金顶山组的薄至中层砂质页岩及粉砂岩，属非岩溶化岩石，岩性尚属坚硬，但表层的节理裂隙发育。河床下部夹有7.5m厚的灰岩，岩性坚硬，抗压强度较高。因其上、下部分均为粉砂岩及砂质页岩，该灰岩夹层未见溶蚀现象。坝轴线岩层产状呈简单的单斜构造，但沿库区河床有断裂构造通过。

坝址河床部位有一纵向区域性断层通过，导致坝基河床因存在断层破碎带及断层影响带而具有较大的透水性[1]。河床多个钻孔曾出现掉钻现象，掉钻长度分别为2.6m和0.35m，岩芯也较为破碎。干钻时岩芯呈糜棱状，全孔压水试验时基本不起压，说明在该孔段透水性大。为保证坝基防渗要求，除对坝基开挖应适当加深外，其防渗的必要措施可沿面板坝趾板设计灌浆帷幕，并在坝基及岸坡部位沿趾板设计固结灌浆[2]。

坝基、肩出露的地层岩性尚属坚硬，在开挖至弱风化带的条件下，可以满足修建刚性坝的基本要求[3]。但据勘探钻孔资料，坝基河床在高程827m以上岩体的透水性仍较大，需进行防渗及固结灌浆处理。考虑对面板堆石坝及砌石拱坝进行坝型比较，分析结果表明：坝基、肩出露的砂质页岩裂隙较发育，其抗压、抗剪强度偏低。同时，河床中部有一区域性构造断裂穿过，强风化深度较深。为满足坝基应力和拱端稳定要求，拱坝设计需要加大坝体尺寸，加大坝肩嵌深，需要加做人工基础，因而工程量大增，失去拱形结构的优势。经两种坝型适应性、坝型布置、基础处理及工程投资等方面的对比分析，设计优选混凝土面板堆石坝型。

3 水库首部枢纽布置

毛竹林水库首部枢纽经优化布置，确定由混凝土面板堆石坝，右岸岸边开敞式无闸溢洪道，右岸由导流兼放空及引水(三洞合一)隧洞等水工建筑物组成。

3.1 混凝土面板堆石坝

毛竹林水库大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝轴线方位角为178.65°，坝顶轴线长106.60m，坝顶高程888.00m，防浪墙顶高程889.20m，河床趾板建基面高程849.50m，最大坝高38.50m。坝顶路面净宽度为5.0m，考虑上游防浪墙厚及下游挡墙厚，坝顶总宽度为5.8m，上游坝坡为1∶1.4，下游坡度1∶1.4，在下游871.30m高程设一级马道，宽2.0m。混凝土面板采用等厚面板，厚度为0.4m。混凝土趾板布置于弱风化岩体上部，厚度为0.5m、宽度为5.0m。

3.2 开敞式溢洪道

溢洪道布置在右坝端，为开敞式无闸控制溢洪道，净宽10m，为WES实用堰[4]，幂曲线为y=0.3899x1.85，堰顶高程885.50m。在堰顶上设一交通桥，交通桥宽5.0m，桥面高程为888.00m，溢洪道轴线方位角为262.35°，整个溢洪道由进水渠、控制段、泄槽、消能工组成，桩号总长137.759m。泄槽起始段宽为10m，在溢0+018.514m收缩至8.0m，溢0+018.514～溢0+98.859m泄槽宽为8.0m。泄槽采用C20混凝土衬砌，泄槽边墙高1.5m，边墙及底板衬砌厚0.4m。出口消能工采用底流消能，底板高程为852.50m。

3.3 导流、放空兼取水三合一隧洞

导流兼放空及引水隧洞布置在右岸，洞总长165.32m，利用导流洞长107.436m，占引水放空全长64.9%。“龙抬头”段进口底板高程866.00m，桩号为洞0+000.00m～洞0+044.715m，“龙抬头”段洞径为2.0m，前面设置渐变段，由2.0m×2.0m方形孔渐变为直径2m的圆形洞，桩号“洞0+44.715m～洞0+057.883m”段为“龙抬头”后的竖向转弯段，洞径2.0m，桩号“洞0+057.883～洞0+165.32”洞径为2.0m，出口底板高程854.672m。隧洞全洞段采用C25钢筋混凝土衬砌，厚0.3m，并在顶拱120°范围内进行回填灌浆。整个洞身段考虑进行固结灌浆，排距3m，每排均布6孔，孔深5m。

4 大坝结构参数设计计算

4.1 坝顶高程

水库位于较窄“V”型河谷，校核洪水位887.30m(P=0.33%)，设计洪水位886.60m(P=3.3%)，正常蓄水位885.50m，死水位873.20m。坝区水库风区长度(吹程)D=0.8km；设计风速正常运用条件下为W=18.0m/s，非常运用条件下为W=12.0m/s。根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定[5-6]，大坝建筑物为4级，安全加高：正常运行工况为0.5m，非常校核运行工况为0.3m。由于D<20000m，W<20m/s，采用官厅水库公式，计算大坝坝顶高程成果详见表1。

表1 坝顶高程计算成果表 单位：m

根据表1计算成果，按坝顶设防浪墙结构考虑，取墙顶高程为889.20m。由于墙顶高程应高出坝顶1.2m，坝顶高程确定为888.00m。

4.2 大坝标准横剖面

大坝洪水标准按30年一遇设计，300年一遇校核。混凝土面板堆石坝坝轴线方位角为178.65°，坝顶轴线长106.60m，坝顶高程888.00m，防浪墙顶高程889.20m，河床趾板建基面高程849.50m，最大坝高38.50m。坝顶无交通要求，坝顶净宽5.0m(不含上下游挡墙)。坝顶上游设“L”型混凝土防浪墙，墙高3.3m，顶部高程889.20m，混凝土面板顶部水平高程为886.30m，高于正常蓄水位885.50m，防浪墙上游侧底部设置0.8m宽的小道，以便检查行走。坝顶下游也设置“L”型混凝土挡墙，墙顶高程888.30m，坝顶下游设置排水沟。混凝土面板堆石坝坝坡，根据坝基岩石强度、构造和筑坝材料的工程性质，通过经验分析和工程类比确定[7]。当筑坝材料为硬岩堆石料时，目前国内外已建和在建的混凝土面板堆石坝的坝坡均在1∶1.3～1∶1.4范围内，毛竹林水库坝体材料均采用所选的料场的新鲜白云质灰岩。大坝上游为混凝土面板，下游面为干砌石护坡，所以该工程上下游坝坡均采用1∶1.4。大坝标准剖面从上游至下游分别为盖重区(1B)、铺盖区(1A)，混凝土面板(F)、垫层区(2A)、过渡区(3A)、主堆石区(3B)、次堆石区(3C)、下游块石护坡，周边缝下游侧设置特殊垫层料层区(2B)[8]。毛竹林水库混凝土面板堆石坝最大横剖面，如图1所示。

图1 毛竹林水库混凝土面板堆石坝最大横剖面

毛竹林水库面板堆石坝最大坝高38.50m，修建坝址河谷较宽，覆盖层较深。根据DL/T5016—2011、SL228—2013《混凝土面板堆石坝设计规范》，对混凝土面板的技术质量要求较高。设计采用C25W10F100二级配混凝土，水灰比0.50，塌落度3～7cm。

为适应坝体变形，应对面板进行分缝，在坝面设张性垂直缝和压性垂直缝，与趾板及防浪墙结合处设周边缝，不设水平施工缝。面板张性垂直缝位于两坝肩附近，间距5m；面板压性垂直缝位于河床部分，间距10m。趾板采用趾板面等高线垂直于“X”线布置，厚0.5m。趾板持力层为下寒武统金顶山组的薄至中厚层砂质页岩及粉砂岩，趾板建基面应开挖至强风化下部、弱风化岩体上部，并做好防渗加固处理措施[9]。根据周边缝三向变形特点，设顶、底部两道止水。顶部止水采用8mm厚三元乙丙橡胶复合板，内填柔性填料，缝口用氯丁橡胶棒封闭，内填12mm厚沥青杉板，底部止水为F型铜片止水，预埋在趾板混凝土内。垫层料填筑后，在铜片止水下部挖20cm×40cm槽回填沥青砂浆，上敷平板塑料片，再将止水铜片与塑料片粘结[10]。止水铜片的中间凹槽内嵌设Ф25mm的氯丁橡胶棒。

4.3 坝体变形计算

毛竹林水库最大坝高为38.5m，没有超过100m且地形地质条件较简单，坝体应力和变形无需采用有限元计算。可根据已建坝原型观测成果按经验方法估算坝体变形。计算结果表明：施工期沉降量沿坝高呈抛物线分布，h=0.5H处沉降量最大为0.68m，占施工期和蓄水期坝体总沉降量0.762m的89.2%，应加强施工期大坝变形监测。

4.4 坝基处理

为提高坝基承载能力，趾板基础需进行固结灌浆处理，设计按2排布置，帷幕的上游布置1排、下游布置1排，孔距3m，排距1.5m，孔深5m。坝址区无可溶岩分布，渗漏形式以浅层裂隙性、溶隙性渗漏及沿断层破碎带渗漏为主。为确保水库的安全运营，须考虑防渗帷幕灌浆处理措施。帷幕下限接地下水位或以钻孔压水试验小于等于5Lu值以下10m为控制下限。防渗帷幕采取单排孔布置，孔距3.0m(断层破碎带孔距适当加密)。坝基、坝肩沿趾板布置，两岸沿坝轴线往山体延伸，并按小于等于5Lu为相对隔水层控制防渗帷幕端点。

5 结论

毛竹林水库坝址区存在较多不利地质现象，尤其是河谷窄岸坡陡峭、深覆盖层坝基持力层较软、河床顺河向断裂构造通过、坝基肩上部岩体透水性强等不利地形地质条件组合，因此选择合理坝型及枢纽布置方案是大坝工程优化设计的关键。综合考虑坝址区地形地质、当地天然建筑材料、施工条件和工程投资等因素，优选坝基适应性强、填筑施工快且简单、坝基处理要求不高和工程投资适中的混凝土面板堆石坝坝型及枢纽布置方案，为工程顺利施工建设和供水效益的正常发挥提供了重要设计技术保障。