探析苟江水库枢纽工程的大坝结构设计

蒋芳祥

（贵州省水利水电工程咨询有限责任公司，贵州 贵阳 550000）

水库工程中的挡水建筑物，作为水库枢纽功能的最关键部位，其大坝结构设计需符合相应的规范标准，并遵循工程建设的环境条件及预期要求。如此，才可降低大坝结构设计的复杂性，继而提升工程项目建设的经济性及整体质量。

1 工程概况

苟江水库位于遵义市播州区苟江镇东侧红山村，处于乌江左岸一级支流鱼塘河中上游河段。水库坝址距离播州区城区公路距离约18.5 km，距苟江镇公路距离约7.6 km，距三岔镇公路距离约16.8 km，有三岔镇至苟江镇迎丰村的乡村公路通过坝址附近下游，交通条件较好。

苟江水库的工程任务为：农田灌溉和为苟江经济开发区提供部分工业用水。坝址以上流域面积为93.4 km2，校核洪水位861.46 m，总库容723 万m3，工程等级为Ⅳ等，工程规模属小（1）型。水库枢纽布置为：堆石混凝土双曲拱坝+坝身闸门式溢洪道+坝身放空孔+右岸导流洞+输水管线。最大坝高41.0 m，坝顶高程为862.50 m。溢洪道总净宽15 m，设三孔弧形闸门，单孔净宽5 m，堰顶高程855.00 m。为达到上述工程形象要求，需加大坝体结构设计的研究力度，即在明确建设使用要求的情况下来提升设计控制的有效性[1]。

2 大坝结构设计要求

大坝为堆石混凝土抛物线双曲拱坝。坝顶高程为862.50 m，坝基开挖高程为821.50 m，最大坝高41.0 m。拟定坝顶宽度4 m，坝底厚11.0 m，厚高比0.29。坝顶拱冠曲率左岸45.45 m，右岸46.03 m，最大中心角95.6°，坝体呈对称布置，坝体防渗采用C15 二级配自密实混凝土。坝体除基础基座、溢流头部、闸墩、下游消能防冲建筑物等采用常态混凝土外，其余均为C15 自密实堆石混凝土；坝体下游溢流面、泄洪孔采用强度等级较高的二级配抗冲耐磨混凝土。

3 苟江水库中挡水建筑物大坝结构的优化设计

3.1 坝顶宽度及止水设计

坝顶宽度的确定，设计人员拟定主要考虑混凝土施工的需要和坝顶结构布置、交通要求等，两岸挡水坝段的坝顶宽度定为4 m；溢流坝段为设闸泄流，设弧形闸门、启闭设备，因此取桥面总宽度为4.0 m，闸墩长度14.62 m。对于坝体分缝及止水的设计，设计人员根据本工程特点，参照类似工程经验，大坝共设置6 条横缝，最大间距27.0 m，最小间距15.0 m。在大坝横缝上游面、溢流面、下游面最高尾水位以下均布置止水设施。上游坝面横缝内设置一道“W”型铜片止水，下游最高尾水位以下缝面设置一道橡胶止水。

3.2 基础结构处理设计

根据坝高及相关规范要求，坝基应选择新鲜、微风化或弱风化中下部岩体作为持力层。建基面的选择主要考虑岩体承载力、变形要求。坝基岩体为中硬岩，承载能力满足大坝要求。根据勘探资料，岸坡为基岩裸露，河床分布砂、卵、砾石层，厚1 m～3 m，结构松散，不能作为大坝基础，须开挖清除。基岩为P1m1 厚层块状灰岩，强风化溶蚀带厚度2 m～3 m，为节理裂隙发育密集带，岩体溶蚀破碎现象较明显，完整性差，根据坝基岩体工程地质分类划分为BⅣ1 类，不宜作为坝基肩基础持力层，建议开挖清除；岩体弱风化带厚度6 m～8 m，裂隙较发育但闭合性较好，岩体整体完整性较好，根据坝基岩体工程地质分类划分为BⅢ1类，允许承载力为R0=3.5 MPa，基础承载力及抗滑力总体满足设计要求，坝基肩基础持力层选择嵌深至弱风化中下部岩体[2]。

3.3 防渗设计

由于坝址主要分布为中厚层状灰岩，为中硬岩，岩体无软弱夹层分布。河床为区内地下水排泄基准面，防渗底界结合坝基渗透破坏因素，按0.5 倍坝高考虑，同时以岩体透水率q≤5 Lu为控制标准。河床及两岸防渗底界嵌深至微风化～新鲜岩体，两岸防渗端点同样以岩体透水率q≤5 Lu 为控制标准，并嵌深至微风化～新鲜岩体。防渗线总长为861 m，其中分为大坝防渗与临谷渗漏防渗两部分（大坝防渗长约761 m，临谷渗漏防渗长约100 m。总防渗面积为47982 m2）。对于帷幕设计布置，以大坝防渗布置为例，①幕0+000.00～幕0+230.00 为左坝肩隧洞帷幕灌浆，方位角为S10°E。②幕0+230.00～幕0+357.05 为大坝段帷幕灌浆。③幕0+357.05～幕0+761.05 为右坝肩隧洞帷幕灌浆，方位角为N31°E。两端帷幕灌浆洞全长634 m。帷幕灌浆洞采用城门洞型，净空尺寸3.1 m～3.6 m，隧洞均采用全断面C25 钢筋混凝土衬砌，衬砌厚30 cm，并设喷锚支护措施。防渗采取单排帷幕灌浆孔布置，大坝段防渗孔间距为2 m，两岸平洞段孔间距为3 m，并在邻谷渗漏段采取双排孔布置，孔距3 m。

3.4 温度控制设计

设计人员需要明确温度控制的标准，即根据大坝的结构特征，将混凝土的物理、力学、热学性能作为设计控制指标。表1、表2 所示结果是设计人员遵照设计规范并结合工程经验，拟定的温差设计标准[3]。

表1 常态混凝土基础容许温差[△T] 单位：℃

表2 堆石混凝土基础容许温差[△T] 单位：℃

值得注意的是，经已建相关工程实践证实，温控标准可以适当地放宽，即将温度控制在14℃～17℃之间。

3.5 坝体体型设计

以坝体顶部的高程设计为例，水库正常蓄水位为860.00 m，根据调洪计算结果，设计洪水位为860.03 m，校核洪水位为861.46 m。

根据《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003），坝顶防浪墙顶高程=水库静水位＋△h，其中△h 为坝顶距水库静水位（正常蓄水位或校核洪水位）的高度，△h 由下式确定：

式中：hb为波浪高（m）；hZ为波浪中心线至水库静水位高差(m)；hc为安全超高（m），本工程坝的安全级别为4 级，正常蓄水位和校核洪水位下分别取0.4 m 和0.3 m。

hb和hZ按照《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）的相关规定计算。

坝顶高程计算成果见表3。

表3 坝顶高程计算结果表

计算坝顶高程为862.13 m，最终确定坝顶高程为862.50 m。

3.6 自密实堆石混凝土技术应用

该技术能够有效减少水泥用量，降低水化热，从而简化温控措施；在保证结构体质量的情况下块石填充率能达到50%以上，从而达到最大限度使用当地材料，降低投资的目的；通过自密实混凝土的流动替代常规的混凝土振捣技术，并简化凿毛工序，最终，便于连续施工，显著提高工效，缩短工期。目前，自密实堆石混凝土技术有两种施工方法，即普通型堆石混凝土适合大仓面混凝土施工与抛石型堆石混凝土适合深度较大仓面的混凝土施工。前者，适用于混凝土重力坝、拱坝坝体；各种基础回填，混凝土换基部位；尾水区消力池、海漫、护坦、边墙等构筑物；混凝土围堰；各种堤防工程；各种挡土墙工程。而后者，则适用于沉井回填；抗滑桩回填；高边墙、挡墙等部位[4]。如图1 所示，为自密实堆石混凝土技术运用示意图。

图1 自密实堆石混凝土技术

4 结束语

综上所述，需将结构处理设计、防渗设计以及温度控制设计，作为本工程优化控制的重点，以满足水库挡水建筑物建设所提出的预期要求。事实证明，只有与工程项目的实际情况进行充分结合，才能在明确大坝结构设计要求的基础上，提高大坝结构设计的合理、科学性。设计人员应将上述分析内容与科研结果更多地应用于不同施工环境与规范标准要求的水库工程，进而服务于所处地区的水利工程建设[5]。