密槽水库工程重力坝设计

周 华

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

密槽水库工程位于贵州省铜仁市碧江区境内，距离铜仁市市区约4 km。工程的主要任务是城市供水、灌溉及农村用水的综合性水利工程。密槽水库水库正常蓄水位290.00 m，死水位273.00 m，校核洪水位291.87 m，总库容1485万m3，年供水量为1795万m3/a。工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。挡水大坝建筑物级别为3级。

碾压混凝土重力坝坝轴线总长为210 m，坝顶高程293.0 m，建基面高程235.0 m，最大坝高58.0 m。枢纽布置为：河床段设置3孔坝顶溢流表孔，取水兼放空设施布置在左岸。

2 工程地质

坝址位于卜口河罗家位置，河床高程255.0 m～255.5 m，宽20 m～40 m。下游左岸侧120 m发育尖坡冲沟，左岸为较宽厚的山脊地形，山脊下部为较宽缓1级阶地，高于河床3 m～8 m，阶地宽10 m～80 m，呈阶梯状分布，阶地以上地形坡面较顺直，地形坡度22°～35°。右岸为山体斜坡地带，岸坡高程258 m以上坡面较完整，起伏较小，地形坡度30°～40°。正常蓄水位290.0 m时河谷宽168 m，宽高比3.51。坝址区出露地层为寒武系下统清虚洞组第二段(∈1q2)至寒武系下统杷榔组第二段(∈1p2)地层，岩性由泥质灰岩、白云岩、泥灰岩，含钙和粉砂泥质粉砂岩夹极薄层灰岩、板状页岩构成。左岸坝轴线至尖坡冲沟一带受F1断层影响，多发育挠曲，由河床至岸坡约50 m范围内产状变化大，之后产状稳定，岩层倾角整体平缓，总体产状倾向右岸，倾下游侧，岩层产状为80°～95°∠5°～8°，岩层走向与河流交角一般35°～40°。

设计中需对河床F1断层位置进行针对性特殊处理，防止渗漏破坏。

3 大坝设计

重力坝布置于卜口河下游，距离汇口2.7 km，坝轴线方位角为NW51.25°，坝轴线长210 m。大坝坝型为C15碾压混凝土重力坝。大坝左右两岸为非溢流坝段，河床段为溢流段。

非溢流坝段布置在溢流坝段两侧，左岸非溢流坝段长75.34 m，右岸非溢流坝段长106.28 m，溢流坝段长28 m。上游坝坡上部垂直，下部为1∶0.2，折点高程为275.0 m，下游坝坡1∶0.8，折坡点高程288.0 m。河床坝基开挖至弱风化上部基岩，坝基最低高程235.0 m。坝顶高程293.0 m，最大坝高58.0 m，坝顶宽度6 m，最大坝底宽56.4 m。为提高坝体深层抗滑稳定，坝踵处设置5 m宽，2 m厚齿墙。

溢流坝段布置在坝身河床段，为有闸控制的开敞式溢洪道，堰顶高程284.0 m，溢流前沿净宽18 m，最大单宽流量为42.94 m3/s。进口设置6 m×6 m弧形工作门三扇。闸门孔间闸墩厚度3 m，堰顶上游为三圆弧曲线，圆弧半径分别为3345 mm、1338 mm、268 mm，下游为WES幂曲线，曲线方程为y=0.099x1.85。泄槽底坡同大坝下游坝坡一致，为1∶0.8，泄槽宽24 m，边墙高4 m，泄槽末端圆弧段半径为15 m，转弯角度51.34°，消力池底板高程250.0 m，出口采用底流消能，消力池长45 m，高13.5 m。

坝内251.0 m高程设有灌浆排水廊道，该基础廊道在平面上沿坝轴线布置，两岸通过斜廊道升至270.0 m高程，与坝后交通连接，廊道上游壁距坝轴线2.0 m，其断面形式为城门洞形，为排除透过帷幕的渗水及基岩裂隙水，在灌浆廊道内布置排水孔，孔深为帷幕孔深的0.5倍，孔距3 m，钻孔倾向下游，倾角10°。排水孔采用钻孔方式形成φ76排水孔，将渗水排入廊道内集水井，再抽排至下游河床。

坝体碾压混凝土设计强度采用90 d龄期C15三级配碾压混凝土，根据防渗需要，坝体二级配碾压抗渗混凝土厚度为1.5 m～3.0 m，抗渗等级为W6，强度为C20。二级配抗渗碾压混凝土与坝体三级配碾压混凝土同仓上升碾压。坝体迎水面采用C20二级配变态混凝土护面，两岸岸坡与基岩接触的垫层采用相同的二级配变态混凝土浇筑，下游面采用C20三级配变态混凝土浇筑，上、下游面变态混凝土层厚度均为50 cm。坝顶采用50 cm厚C20二级配常态混凝土铺筑，作为坝顶防水层，同时使坝顶平坦。重力坝材料分区材料见表1。

表1 坝体分区材料统计表

4 基础处理

坝区分布地层岩性河床至左岸坡岩性为寒武系下统耙郎组二段第二层(∈1p2-2)灰、深灰色薄层含钙和粉砂泥质板岩，夹薄层泥质灰岩；耙郎组二段第一层(∈1p2-1)灰绿、黄绿色板状页岩，右岸为寒武系下统清虚洞组一段(∈1q1)灰、深灰色薄层泥质灰岩，河床发育一条断层，断层破碎带宽2.5 m～4.0 m，两侧影响带宽右岸一侧约3 m～5 m。结合坝体结构对地基要求，大坝建基面开挖深度及开挖形状，根据可利用基岩等高线拟定在弱风化岩体上部，一般基岩开挖深度约10 m～15 m。岸坡坝段坝高逐渐减小，利用基岩标准相对可以降低，受到河床断层影响，在断层带垂直开挖深度约20 m～28 m左右，断层处刻槽换填C15砼处理。

断层开挖深度采用美国垦务局经验公式：d=0.002×b×H+5(单位英尺)，断层破碎带宽度按4 m计算，计算d=9.2英尺，折算约3 m，根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)7.5.2条，混凝土塞的深度可采用1.0～1.5倍断层破碎带的宽度，设计取断层开挖深度为4 m，考虑两侧影响，破碎带处理范围扩宽至10 m，坝基上游延伸10 m，坝基下游延伸4 m作为砼换填处理范围。两侧外的断层影响范围内坝基采用固结灌浆处理，防渗帷幕采用加密处理方式，帷幕灌浆采用3排孔布置。对大坝基础进行固结灌浆，灌浆孔间排距3 m，帷幕灌浆前深入基岩8 m，其余深入基岩5 m，间距3 m，梅花形布置。

5 深层抗滑稳定分析

根据裂隙分布情况，左岸主要发育有①N60°～70°E/SE∠60～70°；②N70°～80°W/∠90°；③N30°W/SW∠70°～80°；④N10°～20°E/SE∠60°～70°四组裂隙；右岸主要发育有⑤N80°W/∠90°；⑥N10°E/∠90°两组裂隙。不存在顺河向缓倾上游裂隙，且裂隙均为陡倾裂隙，岩层产状为缓倾5°向下游偏右岸，故该重力坝深层抗滑模式为沿层面，剪断下游岩体滑出。根据地质分析，左岸段以②、③组横向裂隙为拉裂面，①、④组裂隙为侧滑面，层面为底滑面剪断岩体滑出；河床段以②、③、⑤组横向裂隙为拉裂面，①、②组裂隙为侧滑面，断裂带为底滑面剪断岩体滑出；右岸段以⑤组横向裂隙为拉裂面，⑥组裂隙为侧滑面，层面为底滑面剪断岩体滑出。断层破碎带宽度仅为2.5 m～4.0 m，考虑采用换填处理，处理宽度10 m，故河床段考虑以岩层层面为底滑面，②、③、⑤组裂隙均为陡倾裂隙，选取第③N30°W/SW∠70°～80°组裂隙为拉裂面进行计算，同时考虑下游以一定角度剪断岩体进行抗滑稳定验算。

a.计算原则及假定

①计算按单宽进行；

②计算时不考虑上游拉脱面的“抗拉”作用，上游静水压力按延伸到拉脱面与层面的交点；

④不考虑侧滑面的作用；

⑤作用于底滑面上的渗透压力于坝基排水孔处考虑折减，折减系数α=0.25；

抗剪断计算公式：

b.计算方法

按《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)附录E中“等安全系数法”公式。采用刚体极限平衡法，假定ABD和BCD块同时达到临界平衡状态(见图1)，分别计算AB、BC的抗滑稳定系数K1，K2。

图1 双滑动面示意图

式中：W为作用于坝体上全部荷载的垂直分值(不包括扬压力)；H为作用于坝体上全部荷载的水平分值；A1，A2分别为AB，BC的面积；α，β分别为AB，BC面的水平夹角；G1为坝基与滑动面间岩体自重；G2为下游侧滑动面上岩体自重及作用于岩体上的水压力；U1，U2，U3分别为作用于AB，BC，BD面上的扬压力；Q，φ分别为BD面上的作用力，及其与水平面的夹角(取0°)。

用等安全系数法计算，K1=K2。

假设下游岩体剪断角度为25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°几种情况进行计算。非溢流坝段、溢流坝段示意图见图2。

图2 深层滑动模式示意图

计算结果见表2。

表2 安全系数计算结果表

由表2可知，假设下游岩体剪断角度为25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°等五种情况时，最不利组合为40°，基本组合工况>3.0，特殊组合工况>2.5，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

6 结论

(1)对于坝基岩层倾角较缓的或存在软弱夹层的，大坝可能会沿岩层层面或夹层层面产生深层滑动，沿一定角度剪断下游岩体发生滑动破坏，对于这类岩层建基面，目前只能通过不同角度试算分析找出BCD块抗力倾角β的最不利取值。具体如何选取合理的β角度有待于进一步深入研究。

(2)对于河床存在断层的建基面，可根据断层发育情况确定基础处理措施，对于破碎不严重的断层，可以用混凝土塞换填方式进行基础处理，换填范围可以根据规范要求确定。