夹岩水库混凝土面板堆石坝结构计算分析

(贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵州 贵阳 550081)

1 工程概况

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程为贵州水利建设“一号工程”，是一座以城乡供水和灌溉为主的大型综合性水利枢纽工程，由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程等组成。其中:夹岩水库大坝为混凝土面板堆石坝，校核洪水位1326.01m，正常蓄水位1323.00m，总库容13.23亿m3，为Ⅰ等大(1)型工程。夹岩水库属峡谷型水库，河谷基本呈对称“V”字形，左、右岸均较陡，河谷形态完整性较好。

夹岩水库坝址位于潘家岩脚冲沟与陈家大沟之间，左岸有潘家岩脚大冲沟，右岸发育有陈家大沟。坝基及坝肩持力岩体为飞仙关组(T1f2)中至厚层夹薄层钙质、泥质细砂岩和泥质粉砂岩，岩性软硬相间，坝基岩体承载力和变形模量低，岩体较破碎，完整性差，裂隙相对发育，存在岩溶渗漏、危岩体和边坡开挖稳定性差、边坡局部不利楔状结构面滑塌等问题。为确保大坝枢纽布置方案与工程地形地质条件、施工技术等相匹配，结合地质勘探揭露成果，从坝型比选、枢纽布置和大坝结构等方面进行详细论证分析，确保设计方案具有较高的技术可行性、施工便捷性和投资经济性[1-2]。

2 工程地质条件及坝型比选

2.1 工程地质条件

夹岩水库坝轴线位于潘家岩脚以下约800m处，河谷为典型横向“V”形谷，河床高程1205.00～1209.00m，河床宽60～75m，1323.00m正常高水位河谷宽337m，宽高比2.94。下伏地层岩性主要为飞仙关组第二段(T1f2)中至厚层夹薄层泥质细砂岩，夹绿灰色泥质粉砂岩及泥页岩，少量灰岩和泥灰岩，总体属中硬岩夹较软岩类。坝址处于NE向与EW向构造过渡地带，为单斜构造，岩层倾向上游略偏左岸，岩层产状为N30°～40°E/NW∠20°～35°，岩层缓倾上游，为横向谷。河床砂砾石层厚7.40～18.30m，两岸基岩裸露，坝基及坝肩持力层岩性为T1f2-3薄至中厚层泥质粉砂岩、细砂岩夹薄层砂质泥岩，属中硬岩类夹较软岩类，强风化厚度河床基岩面以下5～9m，两岸强风化厚度基岩面以下8～13m，岩性软硬相间，坝基岩体承载力低，岩体风化深度较深，软弱夹层发育。

2.2 坝型比选

从坝轴线地形地质条件看，既可建刚性坝，也可考虑建当地材料柔性坝。由于河谷较宽，坝址岩层缓倾上游，坝基及坝肩持力层岩属中硬岩类夹较软岩类，岩体风化层较厚，软弱夹层发育，岩性软硬相间，坝基岩体承载力低，建拱坝存在坝肩抗滑稳定风险，坝基、坝肩处理工程量较大，不宜采用拱坝坝型。因此，刚性坝只能采用混凝土重力坝型，但由于坝基坝肩均存在断层发育带、裂隙密集带、软弱夹层等地质缺陷，需进行嵌挖回填及固结灌浆处理，坝基坝肩岩体承载力较低，修建重力坝工程处理措施较为复杂，工程风险较大，故不宜采用混凝土重力坝坝型。虽然工程区经济范围内土料缺乏，但石料丰富，结合当地筑坝材料宜采用堆石坝坝型，设计优选沥青混凝土心墙堆石坝和钢筋混凝土面板堆石坝两种坝型进行比选。鉴于大坝高达154m，目前国内已建100m以上沥青混凝土高坝仅有1座(坝高在120m以内)，高沥青混凝土心墙坝施工技术还需要不断实践和探索[3]。从技术角度出发，宜选施工工艺简单，施工水平较成熟的面板堆石坝坝型。同时，沥青混凝土价格一般远高于混凝土，投资比较表明:混凝土面板坝枢纽建筑物建筑工程投资150270万元比沥青混凝土心墙坝枢纽建筑物建筑工程投资145532万元要省4738万元，故选择混凝土面板堆石坝坝型。

3 混凝土面板堆石坝枢纽布置设计

3.1 挡水建筑物

大坝坝型为混凝土面板堆石坝，防浪墙顶高程1329.20m，坝顶高程1328.00m，最大坝高154m，坝顶长428.93m。上游坝坡1∶1.4。下游坝面布置有4层10m宽坝后公路，局部坝坡1∶1.35，平均坝坡1∶1.67。上游面用钢筋混凝土面板防渗，趾板置于弱风化层中上部，厚度1/3坝高以下、1/3～2/3坝高、2/3坝高以上分别为1m、0.80m和0.60m，宽度6.50m。

3.2 泄水建筑物

溢洪道布置在大坝左岸，水平总长399.13m，轴线方位角为NW24.869°。引渠段长90.48m，底板高程1307.00m，采用0.50m厚的C15混凝土护底，靠山侧采用1m厚的C20混凝土边墙护面，墙顶高程1328.00m，边墙与开挖坡面间采用C15混凝土回填。控制段采用实用堰，堰高4m，堰顶高程为1311.00m，溢流净宽24m，设3扇8m×12m弧形工作闸门控制泄流量，工作闸门前设检修闸门。泄槽段总长260.06m，起始点高程1299.80m，末端高程1239.01m，桩号0+026.00～0+130.58m底板纵坡为0.03，桩号0+146.93～0+283.93m底板纵坡为0.395，不同纵坡底板间由抛物线段连接。出口挑流段长24.75m，挑流鼻坎半径为30m，挑角25°，挑流鼻坎末端高程为1239.75m，水流由挑流鼻坎挑入下游河床。出口消能采用等宽连续式鼻坎挑流消能型式。泄槽断面为矩形，底板宽30m，厚1m；边墙高7～6.50m，厚1.50m；泄槽全断面采用C30钢筋混凝土衬砌。

泄洪洞布置在左岸，由岸塔式进水口、洞身段和出口消能工段3部分组成。其进口平面位置位于溢洪道进口左侧的潘家岩脚大沟，进水口距左坝肩约180m。岸塔式进水口段长35.50m，进口底板高程1265.00m，塔顶高程1329.20m，塔高64m，塔身平面尺寸为18m×29.26m，进口设5.50m×8m平面检修门和5.50m×6m弧形工作闸门各1扇；洞身段为无压隧洞段，轴线方位角N32.907°W，水平长820.42m，出口段采用挑流消能，反弧半径60m，挑射角25°，挑流鼻坎高程1246.02m。

放空洞布置在左岸，由有压取水隧洞+山体竖井式进水口、洞身段和出口消能工段3部分组成。其进口平面位置在溢洪道进口左侧和泄洪洞进水口之间，进水口距左坝肩约160m。有压取水隧洞段长94m，进口底板高程1242.00m，隧洞采用圆形断面，洞径为5m，采用C30钢筋混凝土衬砌，厚0.80m。有压取水隧洞段后采用长7.50m渐变段接闸门竖井，闸门竖井段水平长度19.32m，底板高程1242.00m，建基面高程1239.00m，竖井顶部高程1329.20m，闸门竖井高90.20m，平面尺寸为19.32m×15m，内设4m×5m平面检修门与4m×5m工作闸门各1扇。

3.3 发电引水建筑物

发电引水系统布置在大坝右岸。进水口顺向边坡覆盖层厚1.50～2.50m，下伏基岩为T1f2-4底部薄至中厚层泥质粉砂岩与泥页岩互层，岩质软弱，边坡稳定性差，开挖后需及时支护。引水隧洞为深水式有压隧洞，设计流量99.30m3/s，钢筋混凝土隧洞段平面总长318.33m，采用折线布置。隧洞采用圆形断面，洞径6.80m，采用C30钢筋混凝土衬砌，厚0.70m。

4 大坝结构参数计算

4.1 坝顶高程

库区多年平均最大风速11m/s，正常运用条件下设计风速取多年平均最大风速的2倍，为22m/s，非正常运用条件下设计风速取多年平均最大风速，为11m/s。风区长度采用1∶10000库区地形图量算，为3.8km。按照《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)相关公式[4-6]，计算得水库静水位以上坝顶超高及坝顶高程成果，见表1。

表1 水库静水位以上坝顶超高及坝顶高程计算成果 单位：m

由于夹岩水库大坝为Ⅰ等大⑴型工程，根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)规定，在正常应用条件(正常蓄水位)下，安全超高为1.50m；在非正常应用条件(设计和校核洪水位)下，安全超高为0.70m。坝顶高程的控制条件为设计洪水位加非正常运用条件的坝顶超高。坝顶设防浪墙，墙顶高程取为1329.20m，坝顶高程取为1328.00m。

4.2 大坝结构布置

夹岩水库大坝为高坝，按照规范有抗震要求的坝顶宽度为10～12m，在满足规范及综合要求后，应尽量采用较小坝顶宽度，以降低投资，故拟定坝顶净宽10m。坝顶上设高3.20m的“L”形钢筋混凝土防浪墙，墙底部高程1325.80m，较正常蓄水位高2.80m。墙脚上游侧设宽1m、厚0.6m的交通观测平台；1325.80m高程处坝宽13.88m，大于规范规定的面板滑模施工的最小坝面作业平台宽度，能满足滑模施工的要求。上游坝坡为1∶1.406。下游坝面局部坝坡为1∶1.35，并布置有10m宽的坝后公路，平均坝坡为1∶1.669，较1∶1.4缓，有利于抗震。下游坝面设永久坝后公路共4层，路面宽10m，在接坝端部设半径为15m的回车场地，公路最大纵坡为11.43%。大坝下游面为大块石护坡，厚1m，大坝标准断面见图1。

图1 夹岩水库面板堆石坝标准断面 (单位：mm)

夹岩水库面板堆石坝坝高154m，修建在河谷狭窄处，两岸边坡变化大，对面板要求较高。因此，设计确定面板混凝土强度等级为C30，抗渗等级为W12，抗冻等级为F100。

4.3 坝基处理

4.3.1 坝基及岸坡开挖

堆石体和地基因承受库水压力而产生的应力和变形主要分布在靠近上游1/3的范围内，余下2/3的范围内则较小。趾板下游平段开挖在河床段按宽60m、河床至坝高2/3处按0.40倍坝高计，再往上按0.30倍坝高计，将趾板、垫层和过渡层设于弱风化上。趾板上游开挖边坡为1∶(0.50～1.25)；下游开挖边坡为1∶1.25。大坝中、下游部分只将覆盖层挖除即可。两岸及基础部位的垫层料向下游延伸后，过渡料也相应下延，以适应材料过渡的需要，减少周边缝被拉裂的风险。周边缝设优质止水材料，下设特殊垫层区，以适应周边缝的变形，减少止水破坏的可能。

4.3.2 边坡支护及固结灌浆

坝基开挖边坡采用喷锚支护。喷混凝土强度等级为C20，厚10cm。锚杆为φ25砂浆锚杆，根长4.50m和9m。局部高边坡设置预应力锚索(1000kN，根长20m)。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[7]。固结灌浆孔间距1.50m，排距按3m考虑，梅花形布置，孔深8m。

4.3.3 防渗帷幕灌浆

坝址两坝肩及河床出露地层为T1f2-4、T1f2-3泥质砂岩、粉砂质泥岩,分布连续完整，无大断裂破坏，坝址水文地质条件简单，防渗条件可靠。坝址渗漏问题主要为裂隙性绕坝渗漏，防渗位置主要为弱风化和微风化上带裂隙[8]。帷幕线结合坝肩渗漏进行综合布置，河床及两坝肩沿趾板线布置，两坝肩垂直岸坡向山内延伸，端点接水库正常蓄水位与地下水位交点，防渗下限两坝肩按岩体压水吕容值3Lu等值线以下5m，河床段按岩体压水吕容值小于3Lu，且不低于0.50倍水头为控制。根据上述原则，大坝整体防渗线长1150m。由于坝址处岩石以泥质粉砂岩、细砂岩为主，灌浆扩散半径小，因此，大坝趾板部位防渗帷幕采用双排孔，孔距为2m，排距1.50m，两岸坡防渗帷幕采用单排孔，孔距2m。为保证左岸放空洞、生态洞、导流洞处帷幕封闭，本次考虑搭接帷幕，搭接帷幕灌浆约4380m。

5 结 论

夹岩水库坝址区地质条件较复杂，近坝区主要分布有潘家岩脚崩塌堆积体、右岸崩塌堆积体和1号、2号卸荷危岩等不利地质条件。通过优选地质适应性强的坝型，进行开挖清除危岩体、边坡削坡及挂网喷锚支护、回填置换破碎带等工程措施处理后，具备良好成库条件。

由于坝基坝肩均存在断层发育带、裂隙密集带、软弱夹层等地质缺陷，不宜修建混凝土重力坝等刚性坝体，同时，鉴于大坝高达154m，高沥青混凝土心墙坝施工技术还有待更深入的实践和探索，综合考虑当地天然筑坝材料、施工技术、坝基处理和工程投资等因素，优选混凝土面板堆石坝坝型及首部枢纽布置方案。

综合分析计算，确定坝顶设防浪墙，墙顶高程1329.20m，坝顶高程1328.00m。设计方案技术可行，经济合理，可为工程顺利施工建设提供技术保障。