环城水库高坝趾板建在深厚强风化层设计方案的研究

(贵州水投水务集团公司，贵州 贵阳 550002)

根据《纳雍县国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，“十三五”期间，将纳雍县产业园区建成以煤化工、集食品和药品加工为一体的综合性经济开发区。现有水源已无法满足未来工业快速发展对水资源的需求。因此，新建环城水库来解决纳雍县产业园区的需水是急如星火的，工程必要性非常强。拦河大坝为混凝土面坝堆石坝，最大坝高91.5 m趾板基础开挖至强风化岩体下部～弱风化岩体上部，解决趾板布置问题是关键。

1 工程概况

1.1 工程简介

纳雍县位于贵州省西北部，毕节地区南部，云贵高原中段。地处东经104°55＇40＂至105°38＇04＂，北纬26°30＇16＂至27°05＇54＂。环城水库位于纳雍县城东北面的后河上，后河属六冲河一级支流。环城水库坝址以上集水面积169 km2(不含伏流C)，含伏流C的计算面积为212.8 km2，主河道河长24.4 km，平均比降27.1‰。

环城水库工程建设任务以工业供水(纳雍县煤电一体化产业基地)和农田灌溉为主，兼顾发电。工程建成后，可向纳雍县煤电一体化产业基地供水，P=95%毛供水量为2 507万 m3/a；工程灌溉面积1 750亩(自流灌溉)，P=80%灌溉用水量为37.3万 m3/a；工程下放环境水量1 915万 m3/a。

水库正常蓄水位1 308 m，相应库容1 434万 m3，死水位1 386 m，死库容514万 m3。设计洪水位1 310.19 m(P=1%)，设计洪水下泄流量917 m3/s，相应下游水位1 241.49 m。校核洪水位1 311.12 m(P=0.05%)，总库容1 542万 m3。

1.2 地形、地质条件

根据可选河段地形条件，在杨家河与卡拉河汇口下游，鱼洞暗河出口上游约350 m处选择坝址、与鱼洞暗河出口下游约200 m选择坝址进行初步比选。经水库移民专业初步比选，下坝址因淹没坡脚沟中的加油站、水泥厂等建筑物，以及对纳雍县污水处理厂和蔡家湾集中村寨造成一定的影响，淹没损失大，给予放弃，坝址具有唯一性。

1.2.1 地质概况

1)地形地貌：所选坝址为河床转弯处，左岸为环岛状地形，地形破碎，右岸受卡拉河及下游坡脚沟切割，地形不完整。为不对称“V”型河谷，河床宽50～70 m，河底高程1 239.5～1 240.6 m，河水深0.4～1.2 m。左岸地形坡度36°，基岩裸露，岸坡多为灌木；右岸1 305 m以下为陡壁，1 305 m以上地形坡度42°，基岩裸露。

2)地层岩性：坝段主要出露地层为二叠系上统峨嵋山玄武岩(P2β)和下统茅口组(P1m)灰岩，在右岸1 245 m茅口组(P1m)灰岩中夹一层βμ43辉绿侵入岩，βμ43辉绿侵入岩厚约30 m。

3)地质构造：区域性的F1断层从右坝肩1 252 m高程通过，受断层影响，两侧岩体褶皱发育，岩性差异大，左侧为峨嵋山玄武岩(P2β)，右侧为茅口组(P1m)灰岩，断层破碎带宽0.3～0.8 m，断层角砾充填，为逆断层。

1.2.2 工程地质条件及初评

坝址左岸出露地层为峨嵋山玄武岩(P2β)，岩体风化深厚，强风化厚深15～22 m(法向)；河床据钻孔资料，覆盖层厚7.8～10.1 m，强风化厚5.0～9.0 m；右岸基岩裸露，出露地层为茅口组(P1m)灰岩，强风化厚深4～6 m(法向)。区域性断层F1从河床右岸通过，受其影响，两侧岩体褶皱发育，岩体较破碎，岩体质量较差，其中左岸弱风化峨嵋山玄武岩(P2β)属BⅢ类岩体，左侧弱风化茅口组(P1m)灰岩属BⅢ类，F1断层破碎带及强风化岩体属CⅤ类岩体。

根据坝址地形地貌、地层结构及岩体力学性质等分析，坝址岩体复杂多样，风化深厚，较适宜修建对地基要求不高的面板堆石坝坝型。

2 方案设计研究

2.1 坝型比选

从地形地质条件分析：坝基岩性不均一，岩性及物理力学参数有一定差异，致使坝基岩体较复杂，枢纽布置须考虑坝基岩体差异的影响；两岸坡基岩风化厚度较大且差异较大，坝基受F1断层影响，裂隙较发育，属不均匀地基，将存在不均匀变形问题，推荐混凝土面板堆石坝方案。

从工程布置分析：混凝土面板堆石坝方案对基础要求相对较低，基础处理工作量相对较小；溢洪道布置于左岸，有一定开挖量；发电、取水、放空采用“合三为一”的布置方案，布置也较为紧凑。

从工程施工分析：其坝址河谷开阔，面板堆石坝方案可便于大型机械化施工，坝区有丰富的土石料，可就地取材，受夏季气候影响较小。施工工期上，面板堆石坝方案要45个月，重力坝方案总工期为50个月；混凝面板堆石坝方案较重力坝方案在施工及工期上有优势。

综上分析，两个方案在技术上均可行，经济上面板坝方案明显较重力坝方案优。因此，推荐面板堆石坝方案为本阶段的推荐坝型。

2.2 工程布置

经过对坝址、坝型、枢纽布置、输水工程布置及各建筑物型式比较后，本阶段推荐坝型为混凝土面板堆石坝的工程方案。

环城水库工程由水源枢纽工程、工业园区供水工程、灌区工程三部分组成。

2.3 枢纽建筑物的设计

水源枢纽工程由混凝土面板坝、左岸敞式不设闸溢洪道，左岸导流系统、左岸发电取水系统、电站厂房、坝后永久上坝公路等组成。面板堆石坝方案平面布置图如图1。

图1 面板堆石坝方案平面布置图

面板堆石坝布置于卡拉河与杨家河汇口下游20 m处。大坝防浪墙顶高程1 313.70 m，坝顶高程1 312.50 m，坝顶宽7 m，坝顶长247 m。河床段建基面高程为1 221.00 m，最大坝高91.5 m。大坝上游坝坡为1∶1.405，下游坝坡为1:1.25，坝底最大宽度219.85 m。坝体采用钢筋混凝土面板防渗，面板厚度为t=0.3+0.003 5H(m)，趾板是布置在面板周边，趾板厚度0.3～0.62 m，趾板宽度6.0 m。面板下游分设垫层区和过渡区，过渡区后为大坝主堆石区， 1 300.13 m高程以下为下游堆石区，下游堆石区与主堆石区以1∶0.5坡相接。为封堵面板可能出现的裂缝以及周边缝缺陷，在面板上游坝侧1 275.0 m高程以下设置粘土铺盖区，铺盖顶部水平厚度3.0 m，上游坡1:1.5，下游面紧贴面板与趾板。为保护粘土铺盖区，在铺盖上游面设盖重区，盖重区顶部水平厚度3.0 m，上游坡1:2.0。本工程坝高达91.5 m，属高坝，考虑到更好的填筑施工，结合施工要求，在坝后布置上坝公路，坝后公路坡比为10%，上游砼面板采用变厚面板，上游坝坡为1:1.405，下游坝坡结合下游坝后公路的设置确定为局部即两层路面之间坡度1:1.25(图2)。

2.4 趾板布置

趾板布置受到地形地质的影响，左岸遇到高边坡，拐点较为突出，右岸相对平顺。

趾板布置型式采用平趾板方式布置，按照规范要求，高坝趾板建基面宜开挖到弱风化层上部，如因地形地质条件限制，趾板建于风化破碎层时，应采取相应加固处理措施，本工程趾板布置于二叠系上统峨眉山玄武岩(P2β)灰岩上，由于玄武岩风化层比较深，如果河床以及两坝肩趾板要坐落在强风化下部至弱风化上部岩石，会导致工程不经济，为节省工程，本工程趾板基础考虑坐落在强风化中下部基岩。

图2 坝体典型断面设计图

2.5 趾板设计

本工程最大坝高91.5 m，属于高坝，对趾板基础要求相对严格，考虑河床段后期施工条件，考虑到不增大趾板工程量以及深挖量，趾板采用C25混凝土，设计趾板宽度为6.0 m，但结合地质情况，趾板基础坐落强风化岩层，设计宽度6 m不满足水利梯度的要求，为了工程经济性，又需延长渗径，减少坝基渗漏，河床段趾板下游采用与趾板同等厚度的连接板，长10 m。河床段趾板后基础采用挂网喷0.10 m厚以满足规范要求。

趾板厚度为0.6 m。为承受混凝土干缩和温度应力，趾板表面设一层双向钢筋，间距为20 cm，直径为Φ20，每向含筋率0.4%。

2.6 趾板基础处理设计

趾板用Φ25锚筋(单根长4.5 m)插入基岩，锚筋间距2.0 m、排距2.0 m。趾板混凝土要求与面板相同，混凝土等级为C25，趾板总长378.51 m，在转折处或较长段趾板中部设伸缩缝，共分成6块。

在趾板与基岩连接部位，为了提高趾板基础的整体性，提高抗冲蚀能力，需进行固结灌浆，充填基础中的张开裂缝，并回填混凝土。固结灌浆孔共两排，孔距2 m，排距2 m，梅花型布置，孔深8 m。

3 设计计算

混凝土面板堆石坝坝坡根据《混凝土面板堆石坝设计规范》(L228-98)第5.3.1条并参照已建工程选用，一般可不进行稳定分析。已建工程的坝坡多为1:1.3～1:1.4，本工程坝体上游坝坡为1:1.4，下游平均坝坡为1:1.556，可不进行坝坡稳定分析。

趾板厚度0.6 m，未超过2 m厚度，根据规范规定，可不进行趾板稳定分析计算。

4 结语

经过综合经济比选，将高坝趾板地基坐落于深厚风化层，难以开挖到弱风化岩层，需要采取工程处理措施以满足趾板抗渗要求，河床段趾板下游采用与趾板同等厚度的连接板，长10 m。河床段趾板下游基础采用挂网喷0.10 m厚处理之后满足设计规范要求，经济性较好。