胡冲水库堆石混凝土重力坝枢纽布置及结构计算

徐 显

(贵州中水建设管理股份有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

胡冲水库位于贵州省盘州市竹海镇珠东社区岔河，距竹海镇政府11.0 km，距盘州市28.7 km。水库位于卡舍河上游河段，卡舍河属珠江流域北盘江水系乌都河的一级支流，全流域集水面积为58.5 km2，主河道长为23.4 km，主河道平均比降为20.5‰。工程任务为集镇、农村人畜饮水和灌溉，总库容为281万m3，为Ⅳ等小(1)型工程。水库枢纽主要由堆石混凝土重力坝、坝顶溢洪道和坝身取水兼放空管组成。水库正常蓄水位为1 738.00 m，相应库容为228万m3；死水位为1 718.00 m，死库容为36.6万m3，兴利库容为191.4万m3，库容系数为25.9%，属完全年调节运用水库。

2 坝址区工程地质条件

坝址区为康家沟至龙潭沟河段，河流从上游以东西向流入坝址区，随即转向S45°E再转N70°E流向下游。坝址区左岸上游侧为一凸出的山脊地形，其间发育一浅切割冲沟，切深为2～5 m，下游侧受河道拐弯影响为一凹陷的负地形，左岸山顶高程为1 931.0 m，岸坡自然坡度为25°～45°；坝址河槽宽为10～80 m，高程为 1 700～1 706 m，比降约为10‰，总体较平缓，无深大跌坎发育；坝址右岸上、下游侧各发育一冲沟，冲沟走向与河流方向近垂直，右岸上游侧地形相对较为平整，山体顶高程为1 804.9 m，岸坡自然坡度为30°～40°，受河道拐弯及下游龙潭沟影响，下游侧为一顺河向凸出的山脊地形，山脊顶高程为1 778.4 m，岸坡自然坡度为35°～50°，局部为陡崖。正常蓄水位为1 738.00 m时，谷口宽为100～120 m，呈基本对称“V”字型河谷。坝址区主要出露泥盆系上统桑郎组(D3s)及第四系(Q)地层。坝址区主要结构面为裂隙面，节理裂隙主要发育4组。坝址区地层岩体透水性弱，为相对隔水岩组，地下水类型为基岩裂水和第四系松散覆盖层中的孔隙水。坝址地形地貌如图1所示。

图1 坝址地形地貌示意

3 坝型适宜性分析比选

胡冲水库推荐下坝线位于康家沟下游侧约200 m处，河谷呈基本对称“V”字型，左岸自然坡度为25°～40°；右岸自然坡度为35°～50°，局部为陡崖。两岸覆盖层厚度为0～5 m，为残坡积含碎石粉质粘土，局部可见基岩出露，基岩为D3s硅质岩、炭质硅质岩，强风化层厚度为5～25 m，弱风化层厚度为5～15 m；河床覆盖厚为5～8 m，为砂卵石层，强风化层厚度为2～4 m，弱风化层厚度为4～6 m。

由于河床较宽缓不对称，左缓右陡，且两岸风化层厚度较深，不适宜修建拱坝；当地土料储量较分散，不宜作为防渗心墙材料或均质筑坝材料，但可作为面板堆石坝的铺盖或围堰土料等，河床砂卵石储量不满足修建砂砾石坝填筑量[1]，故不宜修建土坝和砂砾石面板坝；通过坝址岩体物理力学实验，坝址具备建重力坝与土石坝的地质条件[2]。结合坝区附近分布有较好的灰岩石料，具备建混凝土面板堆石坝的条件。因此，坝型选择重力坝与面板堆石坝进行比选(见表1)。

从表1可知，两种方案技术上均可行，均能较好地适应工程地形地质。重力坝方案首部枢纽及永久占地投资为8 655.56万元，相对面板坝方案(9 124.88万元)可节省469.32万元，因此，按照投资节省原则，设计优选技术可行、经济更优的重力坝坝型。

表1 面板堆石坝和堆石混凝土重力坝坝型对比

4 堆石混凝土重力坝枢纽布置

胡冲水库重力坝方案首部枢纽由C15堆石混凝土重力大坝、坝顶溢洪道和坝身取水兼放空管等共同组成，平面布置示意如图2所示。

图2 堆石混凝土重力坝枢纽平面布置示意

4.1 挡水建筑物

大坝坝轴线长为163.0 m，轴线方位角为N10.93°W，坝顶高程为1 742.0 m。坝身材料为C15一级堆石混凝土，上游面设置C20二级配常态混凝土防渗，抗渗等级为W6，防渗层在1 712.0 m高程以下厚为1.5 m，1 712.0 m高程以上厚为1.0 m，基坑垫层混凝土采用1 m厚的C15一级配自密实混凝土，两岸坡垫层混凝土采用0.5 m厚的C15一级配自密实混凝土。大坝由溢流坝段及左、右岸非溢流坝段组成。溢流坝段长为12.0 m，坝基高程为1 692.50 m，最大坝高为45.50 m，最大底宽为41.525 m。溢流堰顶高程为1 738.0 m，溢流净宽为10.0 m，单孔布置；非溢流坝段左岸长为105.0 m，右岸长为46.0 m，最大坝高为49.50 m，坝顶宽度为5.0 m，最大坝底宽度为44.525 m，上游面为1 704.50 m高程以上铅直，1 704.50 m高程以下坡比按1：0.2控制，下游面在1 738.00 m高程以上铅直，1 738.00 m高程以下坡比按1：0.75控制。

4.2 溢洪道

溢洪道由溢流控制段+坝面+坝脚消力池组成，溢洪道布置于大坝中部，桩号为坝0+046.000～坝0+058.000，溢流净宽为10.0 m，单孔布置，边墩厚为1.0 m。溢流堰采用WES实用堰，堰顶高程为1 738.00 m，出口采用底流消能；上游面采用椭圆曲线，a=0.3 m，b=0.17 m，下游堰面曲线y=0.229x1.85；溢流曲线后接坝面，两侧导墙高度为2.00 m，宽为1.0 m，溢流面和侧墙均采用C30钢筋混凝土浇筑，溢流面末端设置消力池。消力池底板高程为1 699.00 m，池宽为10.0 m，长为31.0 m，边墙高程为1 706.00 m；消力池侧墙顶宽为1.0 m，内侧直墙，外侧坡度为1：0.3，底宽为3.40 m，底板厚为1.0 m，基础高程为1 698 m，底板和侧墙均采用C30钢筋混凝土；在消力池底板设置排水孔，孔距、排距均为3 m。消力池底板与基础采用Φ25锚杆连接，锚杆长为4.5 m，梅花型布置，间距和排距均为2.0 m。消力池后设大块石海墁，长为10.0 m，厚为1.0 m。

4.3 取水兼放空管

人畜供水及灌溉供水取水管埋设于大坝内，布置在左岸非溢流坝段坝桩号0+061.800 m处，坝前设置取水口，兼有放空的功能，取水口进口底板高程为1 714.50 m，高于坝前淤沙高程为1 712.51 m。进口设置3.3 m×2.9 m(宽×高)活动式拦污栅，拦污栅后设置1.5 m×1.5 m的检修闸门。闸门后设置渐变段，在渐变段上设置通气孔，通气孔直径为400 mm圆形孔。取水管管径为1.0 m钢管，管周边采用C20的外包混凝土，外包厚度为1.0 m；取水管长度为36.500 m，取水管末端设置闸阀室，闸阀室内分出直径为0.5 m、0.6 m输水管、直径为1.0 m放空管、直径为0.1 m的生态放水管。放空管和生态放水管接入溢洪道的消力池内，放空管放空时需要将拦污栅提起。取水口采用C25钢筋混凝土井筒结构，井筒宽为5.3 m，长为6.9 m，顶部高程为1 742.0 m，与坝顶同高，启闭机室为C25钢筋混凝土排架结构。

5 大坝结构设计计算

5.1 坝顶高程计算

调洪计算成果可知，水库校核洪水位为1 740.93 m，设计洪水位为1 740.27 m，正常蓄水位为1 738.00 m；风区长度D=1 000 m，正常蓄水位时风速Vs=1.5Vm=14.55 m/s，校核洪水位时风速Vm=9.7 m/s。按《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)，坝顶高程等于水库静水位加相应坝顶超高[4]，按两种工况计算取较大值，即：① 正常洪水位+正常运用情况的安全超高；② 校核洪水位+非常运用情况的安全超高。坝顶高程计算成果见表2。

表2 坝顶高程计算成果 m

从表2计算成果可知，由校核洪水位控制坝顶高程，确定坝顶高程为1 742.00 m。

5.2 大坝稳定及应力分析

1) 坝体抗滑稳定分析

坝线区岩层产状167°∠18°，主要发育4组裂隙：① N40°-50°W/NE∠70°-90°；② N10°-30°E/NW∠60°-80°；③ N40°-60°E/NW∠70°-85°；④ N60°-75°W/NE∠50°-70°。4组裂隙均为陡倾角裂隙，对坝体深层抗滑稳定影响较小；坝线处岩层倾向右岸，倾角为18°左右，岩层走向与大坝轴线近垂直，坝基无缓倾上游或下游的结构面存在；同时，下游未见跌坎或深潭等临空面，坝基产生深层滑动的可能性较小。因此，大坝抗滑稳定计算只考虑沿建基面滑动。结合胡冲水库实际，设计选定2种基本荷载组合和1种特殊荷载组合进行分析(见表3)。

表3 坝体应力分析荷载组合 m

混凝土重力坝坝体稳定采用刚体极限平衡法分析[5-6]，坝基应力采用材料力学法分析，按照《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)要求公式计算，分析采用PC1500软件。坝体抗滑稳定计算成果见表4。

表4 坝体抗滑稳定计算成果

从表4可知，坝段抗滑稳定最小安全系数基本组合为K=3.078≥3.0，特殊组合为K=3.006≥2.5，抗滑稳定安全系数满足规范要求，坝体抗滑稳定性较好。

2) 坝体应力分析

根据胡冲水库工程特性，C15堆石混凝土的极限强度为15 MPa，按照《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)6.3.10规定，混凝土抗压安全系数，基本组合为4.0，特殊组合为3.5，则混凝土容许压应力基本组合为3.75 MPa，特殊组合为4.29 MPa；地基容许承载力为2.55～3.63 MPa，取值为3 MPa。坝体应力采用材料力学法进行分析，计算得溢流坝段和非溢流坝段的上、下游面垂直正应力成果(如表5所示)。

表5 坝体应力计算成果 MPa

按照《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)6.3.3及6.3.4规定，重力坝应力不应大于坝体混凝土容许压应力，并不应大于基岩容许承载力。从表5应力计算成果可知，坝体应力计算成果和地基承载力均满足规范要求，且未出现拉应力，大坝设计结构应力分布合理。

6 结语

胡冲水库坝址两岸对称，山体浑厚，河谷为基本对称“V”型。出露岩性为D3s硅质岩与炭质硅质岩不等厚互层，无构造通过，主要发育4组陡倾裂隙，且坝区附近分布有较好的灰岩石料具备重力坝和面板坝建坝条件。为确保枢纽布置设计方案具有较高地形地质适宜性和技术经济性，对大坝坝型、首部枢纽布置和坝体结构体型进行了论证分析和设计计算。

1) 经坝型比选，重力坝和面板坝坝型均具有较好地质适宜性，且坝址区地形有利于两种坝型的首部枢纽布置及施工场地布置。重力坝坝型首部枢纽及大坝永久占地投资较面板坝坝型低469.32万元。按照投资节省原则，设计优选技术可行、经济更优的重力坝坝型。

2) 结合调洪特征水位，计算确定坝顶高程为 1 742.00 m。论证结果表明，不同荷载组合工况下，坝体抗滑稳定及应力分布均满足规范要求，结构体型设计合理，安全稳定性高。