巫家水库坝址坝型方案论证及结构设计计算

张 静，刘文龙

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 工程概况

巫家水库位于正安县东南面班竹镇新模村境内，距市坪集镇6 km，距班竹镇16 km，距遵义市区185 km，为小(Ⅰ)型水库，工程等别为Ⅳ等。坝址位于马河一级支流龙桥溪的上游柏杨寺河段，属长江流域乌江水系。坝址以上流域面积14.6 km2，多年平均径流量981×104m3，主河道长6.0 km，主河道加权平均坡降36.6‰。水库主要任务为村镇供水、农田灌溉和工业用水，设计供水能力615×104m3，多年平均供水量580×104m3，水量利用率59.1%。水库正常蓄水位933.00 m，相应库容439×104m3，库容系数34.9%，具备多年调节性能。大坝枢纽由堆石混凝土重力坝、溢洪道、取放水建筑物等组成，最大坝高34.5 m。

2 工程选址及坝址坝型比选

2.1 建坝河段选址

根据地表调查及地质勘察等勘测成果，选定在规划河流龙桥溪上优选建坝河段。龙桥溪上游主要由龙桥溪主河沟及其两大支沟组成，在仓屋基处汇合后流经柏杨寺(回龙寺)、河坝(习德高速)、山虎庙(习德高速)、龙桥等地，在桃子湾一带汇入马河。习德高速在河坝及山虎庙处分别跨越龙桥溪，倘若在河坝以下河段建坝，将对习德高速造成淹没，而迁改高速公路难度极大，不宜建坝；柏杨寺以上至上游仓屋基河段为宽阔的侵蚀槽谷，河谷开阔，建坝工程量极大，不宜建坝；仓屋基以上为龙桥溪主河沟及其两大支沟，在任其一条河沟建坝水资源均不满足规模要求。通过地质测绘和地表调查研究，原规划河坝(习德高速)以上至柏杨寺(回龙寺)河段河谷相对狭窄，该段中下游河段与习德高速公路距离较近，对公路影响大，且河床比降较大，两岸受冲沟切割及顺河向的台状斜坡影响，地形对称性差，不宜作为建坝河段；而该段上游约0.6 km河段河床相对较平缓，河谷两岸地形总体较对称，地形地质条件相对较好，具备建坝条件[1]。综合考虑水库规模，优选河坝(习德高速)以上至柏杨寺(回龙寺)河段上游约0.6 km河段作为巫家水库建坝坝段。

2.2 坝址比选

通过现场踏勘，结合地形测绘、地质勘察及钻探等成果，确定相距约0.52 km的上下坝址的工程地质条件经适当工程处理后均具备建坝条件，其位置见图1。

图1 上下坝址俯视图

根据上下坝址工程地质、边坡处理、库岸稳定、施工条件等条件，结合水库规模、枢纽布置等因素进行对比论证[2-3]，即：①地形地质条件：从地层岩性上来看，上坝址主要为志留系下统龙马溪群(S1ln)薄层钙质、粉砂质泥岩夹少量泥灰岩的软质岩，分布在河床两岸，为坝基肩主要持力层岩体。上坝址经工程处理措施后，具备修建中低型混凝土重力坝的条件；下坝址主要为中统石牛栏群(S2sh)中至厚层灰岩的中硬岩，主要分布在河床及两岸。下坝址经工程处理措施后，具备修建中低型混凝土拱坝的条件。下坝址工程地质条件略优于上坝址。②边坡条件：上坝址两岸边坡地形相对宽缓，自然稳定性较好，边坡开挖过程中对岩土质边坡采取临时和永久支护工程措施后，边坡稳定性较好；下坝址两岸边坡地形相对狭窄，左右岸坝肩边坡高陡，开挖后易形成高边坡，开挖处理难度相对较大，且风化、卸荷裂隙较为发育，形成大范围危岩体带发生坠落、崩塌等，边坡局部稳定性差。边坡条件上坝址优于下坝址。③库岸稳定：上坝址近坝库岸整体稳定，对工程建筑物影响小；下坝址库区近坝库岸左岸存在较大体积的卸荷体，右岸存在大面积滑动堆积体，蓄水后有发生堆积体滑动的可能，危及水库大坝的安全，需清除或采取处理措施[4]。库岸稳定上坝址优于下坝址。④成库条件：上坝址所在地层为S1ln，泥质含量相对较高，岩溶弱发育，主要以溶沟、溶槽及溶蚀裂隙为主，两岸无出水点。帷幕底界均接S1ln1粉砂质、钙质泥岩微风化相对隔水岩体，灌浆孔较浅，灌浆进尺小，防渗工作量相对较小(总进尺3 741 m)；下坝址所在地层为S2sh，溶蚀作用相对较强烈，岩溶相对较发育，除地表溶沟溶槽、溶蚀裂隙发育外，在坝址区均有出水溶洞发育，防渗处理面较大。两岸地形陡峭，地表施工难度大，钻孔无效进尺工作量大，灌浆进尺大(钻孔总进尺8 272 m)，且蓄水后对右岸习德高速存在一定的安全隐患。成库条件上坝址优于下坝址。⑤工程枢纽布置：上坝址为堆石混凝土重力坝，下坝址为堆石混凝土拱坝，上下坝址枢纽布置难度及工程量基本相当。⑥施工条件：上下坝址相距约520 m，上坝址处河谷较开阔，坝址下游地势较平缓，施工场地布置方便，且右岸有乡村公路经过。上坝公路和库区恢复公路易于布置，场内交通布置条件优越；下坝址河谷狭窄，下游河床坡降较大，施工场地布置困难。上坝公路和库区恢复公路难于布置，场内交通布置条件差[5]。其次，相比下坝址，上坝址对外交通距离较短，外购物资的运输稍有利。上坝址距料场约0.5 km，下坝址距料场约2.3 km，下坝址运距较上坝址长，运输成本高。上坝址施工条件要明显优于下坝址。⑦水库淹没：上坝址比下坝址淹没人口相差不大(上坝址119人，下坝址123人)，房屋面积少293.78 m2(上坝址3 936.57 m2，下坝址4 230.35 m2)，淹没总投资上坝址较下坝址少531.17万元，上坝址优。⑧工程总投资：上坝址总投资为38 589.07万元，下坝址总投资为41 635.45万元，上坝址较下坝址投资节约3 046.38万元。

通过上下坝址地形地质条件、边坡条件、库岸稳定、水库淹没、工程枢纽布置、施工条件、工程投资等技术经济方面的综合比较，上坝址要明显优于下坝址，优选上坝址为巫家水库工程的建坝场址。

2.3 坝型比选

选定的上坝址岩层单斜产出，产状总体稳定，岩层产状为N15～20°E/ NW∠20～23°，岩层总体倾下游，河谷为基本对称宽V型横向河谷结构。坝基及两坝肩主要出露S1ln1薄层粉砂质、钙质泥岩岩层，该岩层为较软岩类岩体，抗风化能力相对较弱，风化深度相对较大，多呈面状风化。坝区未发现断层构造发育，构造以裂隙为主，强风化带宽最大达6 cm，多为泥质、岩屑充填，宜开挖清除。弱风化以下多闭合或方解石脉充填，向深部逐渐尖灭，岩体逐渐完整。上坝址经地基处理后，可建刚性坝和柔性坝。

坝区河谷两岸地形总体对称，设计正常蓄水位933.0 m高程时河谷宽105 m左右，谷口宽高比为4.2左右。坝址区裂隙较发育，基础均一性较差，且近坝右岸下游有1号冲沟发育；受裂隙及岩层结构面组合切割影响，存在楔形体或棱体分布；左岸下游岸坡及右岸下游冲沟存在临空滑出面。以上组合对坝肩抗滑稳定不利，不具备建拱坝的条件；而重力坝适应性较强，且坝高较矮(34.5 m)，通过基础处理后具备建重力坝的条件，故刚性坝选择重力坝坝型。重力坝根据筑坝材料可选碾压混凝土、常态混凝土、混凝土砌石以及堆石混凝土等坝型，碾压混凝土重力坝虽施工技术完善，机械化程度高，工效快，但巫家水库场区相对狭窄，大型机械进入较困难，施工干扰大，优势难发挥，故不采用；常态混凝土坝其温控措施复杂、造价高，也不推荐。将砌石和堆石混凝土两种筑坝材料特点进行对比分析，见表1。

表1 混凝土砌石和堆石混凝土重力坝筑坝特性表

由表1可知，堆石混凝土与混凝土砌石相比，具有施工工艺简单、施工速度快、机械化程度高、工程质量易于控制等优势[6]。堆石混凝土造价虽略高于混凝土砌石，但堆石混凝土作为一种具有我国自主知识产权的新型大体积混凝土施工技术，具有低碳环保、低水化热、密实度高、体积稳定性好，层间抗剪能力强等优点，非常适合应用于重力式结构。近些年已在国内水利水电项目中得到广泛的应用和普遍的认可，是经水利部科技成果鉴定的重点科技推广项目，采用堆石混凝土重力坝坝型对推广多元化筑坝材料筑坝具有积极的意义[7]。

就坝体材料而言，巫家水库柔性坝优选混凝土面板堆石坝型进行对比分析。混凝土面板堆石坝(柔性坝)和堆石混凝土重力坝(刚性坝)两种代表坝型比选结果为：堆石混凝土重力坝枢纽其建筑工程部分估算投资较混凝土面板堆石坝枢纽节约956.60万元，且重力坝枢纽开挖工程量较少，泄水、取水建筑物等布置简单、紧凑；而混凝土面板堆石坝开挖、回填工程量大，泄水、取水建筑物等布置分散。施工时重力坝为混凝土结构，导流工程规模较小，临时工程量较省，同时可采取坝身预留缺口的措施降低度汛高程；而混凝土面板堆石坝为土石结构，导流标准和规模较大，特别是后期度汛，坝身不允许过水。抢筑坝体拦洪高程是大坝施工的关键环节，导流工程规模较大，临时工程量较多。故设计优选地形地质条件适宜性好、技术经济指标优越的堆石混凝土重力坝坝型。

3 堆石混凝土重力坝结构设计计算

3.1 大坝枢纽布置

巫家水库大坝位于马河支流龙桥溪上游，为堆石混凝土重力坝坝型。大坝枢纽由水库大坝、坝顶溢流表孔、取(放)水建筑物等组成，具体布置见图2。

大坝为C9015W6F50一级配堆石混凝土重力坝，坝轴线方位角为N25.98°E，坝轴线长125 m，两坝肩及河床段坝基置于弱风化基岩中上部，河床建基面高程902.00 m，坝顶高程936.50 m，最大坝高34.5 m，坝顶宽为6.0 m，大坝上游坝坡1∶0.2，起坡点高程916.50 m，下游坝坡1∶0.8，起坡点高程933.00 m，坝底最大厚度为33.7 m。坝内设灌浆排水廊道，总长为51.0 m，两岸坡设交通及排水廊道，总长17.0 m。大坝坝顶中部设泄洪表孔，为开敞式泄洪方式，堰型为WES实用堰，堰顶高程933.00 m，溢流坝段净宽18 m，共3孔，单孔宽6 m。取(放)水建筑物布置于大坝右坝段，其主要由进水口、渐变段和压力钢管段等组成，总长54.0 m。

3.2 大坝应力分析及抗滑稳定计算

3.2.1 大坝应力分析

按照《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)规定，坝体应力计算采用材料力学法，只计算坝体边缘应力。计算得到不同坝段、不同荷载组合工况下大坝应力分析成果，见表2。

图2 巫家水库堆石混凝土重力坝枢纽布置

表2大坝应力分析成果

荷载组合工况溢流坝段非溢流坝段坝基上游面垂直正应力坝基下游面垂直正应力坝基上游面垂直正应力坝基下游面垂直正应力基本荷载组合1(正常蓄水位)0.310.420.420.38基本荷载组合2(设计洪水位)0.210.410.320.37特殊荷载组合1(校核洪水位)0.180.430.300.38

从表2可知，基本荷载组合情况下，最大压应力0.42 MPa；特殊荷载组合情况下，最大压应力0.43 MPa。大坝上游面未出现拉应力，大坝计算的最大压应力在规定的允许范围内。大坝坝基(肩)持力层主要为S1ln薄层钙质、粉砂质泥岩夹少量泥灰岩饱和抗压强度为15～20 MPa，坝基承载力为1.2～1.5 GPa，坝基承载力满足要求。3种运行工况下，坝体的最大压应力均在设计允许范围内，选用C15堆石混凝土材料合理，坝基承载力也满足要求。

3.2.2 大坝抗滑稳定计算

巫家水库拦河大坝为堆石混凝土重力坝，最大坝高34.5 m，属中坝。根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)及《胶结颗粒料筑坝技术导则》(SL 678-2014)规定[8]，大坝抗滑稳定计算采用抗剪断公式进行计算，分析成果见表3。

表3 大坝抗滑稳定分析成果

从表3可知，两种滑动模式下正常工况抗滑稳定最小安全系数为3.01，大于规范规定的K=3.0；校核工况抗滑稳定最小安全系数为2.88，大于规范规定的K=2.5，均满足规范要求。

4 结 论

1) 河坝(习德高速)以上至柏杨寺(回龙寺)河段上游约0.60 km河段建库地形地质条件好，该河段的下坝址地质条件虽略优于上坝址，但考虑到上坝址在边坡处理、库岸稳定、水库淹没、施工条件和工程投资等技术经济方面更具优势，确定上坝址为最终建坝坝址。

2) 混凝土面板堆石坝和堆石混凝土重力坝对工程区地形、地质条件适应性均较好，均能满足建坝要求，技术上可行。经过对开挖回填工程量、泄水及取水建筑物布置、施工导流及度汛、工程投资等方面综合比较，优选经济技术指标均较优越的堆石混凝土重力坝方案。

3) 大坝结构应力和稳定性分析表明，3种运行工况下坝体最大压应力和基岩承载力均满足设计要求。两种滑动模式下抗滑稳定安全系数均大于规范指标，大坝整体安全可靠。