岭官水库强风化基岩坝段设计

蒋际贺

(福建兴禹建设工程设计有限公司，福建 泉州 362000)

1 工程概况和设计特点

岭官水库坝址位于福建省清流县林畲乡岭官村上游约1.2km处，坝址以上流域面积2.85km2，水库总库容84.31万m3，坝型为C15混凝土重力坝，是一座以灌溉为主、兼顾供水(备用水源)等综合利用功能的小(2)型水库，工程于2016年投入使用。坝顶高程590.00m，坝底高程551.00m，最大坝高39.00m。坝顶宽度为4.0m，长156.0m，上游面竖直，下游面坡度为1∶0.75，折坡点高程为586.00m。坝体基础采用厚2.0m的C20素混凝土垫层。左、右坝端建基面均在高程570m处由弱风化基岩向强风化基岩过渡,利用强风化基岩坝段最大坝高20.00m。岭官水库工程等别为Ⅴ等工程，建筑物级别均为5级，防洪标准按20a一遇设计，100a一遇洪水校核；20a一遇设计洪水位589.41m，下泄流量为38.03 m3/s；100a一遇校核洪水位589.67m，下泄流量为49.08m3/s。

岭官水库大坝设计特点：由于两坝肩处弱风化基岩埋藏深，左、右坝端建基面均在高程570m处由弱风化基岩向强风化基岩过渡,利用强风化基岩坝段最大坝高20.00m。

2 设计方案比选

地质勘探发现左岸强风化层下限埋深13.5-30.5m，右岸强风化层下限埋深12-22m。根据《混凝土重力坝设计规范》规定，坝高<50m时，可建在弱风化中部至上部基岩上。两岸地形较高部位的坝段，可适当放宽。设计过程中选取两种方案进行比较：方案一采用常规的弱风化基岩；方案二坝肩采用强风化基岩(最终选用方案)。

方案一：大坝坝顶高程590.00m，坝底高程551.00m，最大坝高39.00m，坝顶宽度4.0m，坝体上游面为竖直面，下游面坡度为1:0.72，折坡点高程为586.00m；坝顶总长267m，其中左挡水坝长96m,右挡水坝长154m；溢洪道设在大坝中部堰顶高程588.00m，共2孔，净宽12m，边墩宽2.0m。溢流堰面采用WES实用堰，堰顶高程为588.00m，与正常蓄水位齐平，堰体不挂闸，采用自由溢流的方式泄洪。溢洪道陡槽段坡度1:0.78，溢洪道末端反弧段半径为7m，挑射角25°，鼻坎高程为561.00m。下游消能方式采用挑流消能。

方案二：为减少土方开挖，节省工程投资，将大坝左、右端头采用混凝土重力坝与强风化中下部基岩相接。经过多次试算调整，左、右坝端建基面均在高程570m处由弱风化基岩向强风化基岩过渡,利用强风化基岩坝段最大坝高20.00m。与方案一相比大坝断面尺寸不变，坝肩坝段利用强风化基岩后坝顶长度缩短42%，坝顶总长156m，其中：左挡水坝长65m,右挡水坝长74m。

两种方案的下游立视图见图1和图2。

图1 方案一下游立视图

图2 方案二 下游立视图(采用方案)

表1 两种方案投资比较表

两种方案投资比较见表1，从表1可以看出，采用坝端坝段采用强风化基岩节省投资约27%，经济效益显著。

3 大坝应力和稳定分析

3.1 计算方法和工况

根据重力坝设计相关规范，混凝土重力坝应以材料力学法和刚体极限平衡法进行计算，采用《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005中的计算公式：坝体抗滑稳定按抗剪断强度公式进行计算，坝基截面进行垂直应力计算。

根据《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005有关条款，混凝土重力坝稳定、应力计算时取正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位和竣工期4种计算工况进行计算。

3.2 计算参数的取值

上游校核洪水位589.67m，相应下游水位559.67m；上游设计洪水位589.41m，相应下游水位559.46m；正常蓄水位588.00m；淤砂高程：570.00m；强风化基岩抗剪断强度：f′=0.6，c′=0.3；坝体材料容重：23.5kN/m3；坝高20.0m，渗压强度系数取0.35。

3.3 计算结果

经计算，各种工况下的坝体稳定、应力结果见表2。从计算结果可知，挡水坝段在各种计算工况坝体稳定及应力都能满足规范要求。仅竣工期坝趾出现6kPa的拉应力，<规范允许0.1MPa的主拉应力，满足要求。

表2 坝肩稳定、应力计算成果表

4 坝段侧向稳定计算

将坝段分成5个坝块，采用刚体极限平衡“等K值法”原理进行侧向稳定计算，计算时考虑相临坝块之间存在相互作用力，试算出使5个坝块抗滑稳定安全度相同的相互作用力，5个坝块的抗滑力函数的和与作用力函数的比值即为整个坝段的抗滑安全系数计算成果。坝段分块见图3。

图3 坝段分块示意图

计算公式：

1)作用力函数

(1)

2)抗滑力函数

(2)

3)抗滑稳定安全系数

K′=R(·)S(·)

(3)

式中：i为坝块的编号；Qi为坝块间的相互作用力,kN，∑Qi=0；αi为作用力与水平面的夹角，°，取0(按偏安全考虑)；∑WRi为总垂直荷载(扬压力除外),kN；∑WPi为总向下游水平荷载,kN；∑WUi扬压力,kN；βi为坝块基础面倾角，°；ARi为坝块的断面面积，m2。

本次计算，弱风化基岩：f′=0.85，c′=0.7；强化基岩：f′=0.6，c′=0.3；斜坡上摩擦系数性能折减系数取0.95，斜坡上凝聚力性能折减系数取0.7。经计算，工况1：侧向稳定安全系数K’=3.75，工况2： K’=3.47，工况3： K’=3.4，均满足规范要求。

4 坝基处理

坝体基础采用厚2.0m的C20混凝土垫层，垫层混凝土浇筑至上下游侧开挖边坡。由于两岸坝端坝基为强风化中下部岩石，为调整该部分坝段基岩整体受力平衡，在混凝土垫层底部配置一层Φ25钢筋。钢筋间、排距均为40cm，并将钢筋延伸2m至弱风化基岩的混凝土垫层。

鉴于坝址区坝基岩体节理和隐节理发育，开挖爆破会对坝基岩体产生较明显的影响，为提高坝基岩体的整体强度和抗变形能力，对坝基进行全面固结灌浆。强风化基岩固结灌浆孔孔深5m，孔距2m，呈梅花形布置。

坝基帷幕灌浆深度根据相对隔水层的分布深度情况确定，由于本工程坝高较低，因此设置一排帷幕灌浆孔，孔距2.0m，帷幕灌浆深入相对隔水层(q< 5Lu)以下5m。为有效切断绕坝渗漏通道，根据两岸地下水位线和相对隔水层线的分布情况，结合考虑两岸风化深厚，地下水位线埋藏较深，帷幕灌浆延伸至正常蓄水位与地下水位相交处。因此，防渗帷幕向左岸延伸15m，右岸延伸53m，岸坡防渗帷幕从现有地面钻孔[1-2]。

5 结 语

1)重力坝坝肩坝段坝高较小，强风化基岩可满足稳定和承载力要求。当弱风化岩埋藏较深时，可适当采用强风化基岩以节省投资。

2)当坝基较陡时，可加大平台宽度以满足坝段侧向稳定要求。

3)当坝高较小时，通过固结灌浆和帷幕灌浆可满足重力坝强风化坝基的渗流及整体稳定要求。