蓄水工况下大坝加高扩建关键技术分析

黄 凯，张笮娜，袁丽娜

(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

遵义市红岩水库工程大坝位于遵义市巷口镇，该工程于1958年动工兴建，后因三年自然灾害停建，于1992年4月续建，1994年9月完工，并于2006年10月增设6扇弧形闸门及配套设施。目前已建成的红岩水库总库容653万m3，正常蓄水位884.66m，相应库容510万m3，死水位874.66m，死库容100万m3，属于小(1)型水库，坝型为浆砌石拱形重力坝，最大坝高26.3m，现状坝顶高程887.660m，坝体拱形外半径200m，。随着遵义市城市规模不断增大，人口的不断增加及工业的不断发展，目前遵义城区经济发展需要与现状供水能力已不相适应。因此，对红岩水库进行加高扩建，解决城区缺水问题。

红岩水库大坝加高扩建后，正常蓄水位为894m，总库容1976万m3，工程等别变为Ⅲ等，工程规模变为中型，最大坝高抬高至37.50m。红岩水库加高主要为遵义市主城区供水年总供水量2747万m3，加高部分增加可供水量1827万m3，设计流量为1.05m3/s。

2 施工期临时蓄水水位设计

2.1 施工导流程序

大坝加高施工期需保证大坝安全并实现下游基坑干地施工，应尽量降低库水位；红岩水库目前是遵义市红花岗区供水水源，施工期间为保证供水，应尽量保持水库高水位；为解决上述矛盾，结合坝体施工期导流方案及相应施工进度计划，对水库进行施工期调洪计算，在保证大坝施工安全的前提下根据计算提出合理的临时蓄水位。

根据水库施工导流方案及施工进度计划，本工程施工导流程序为：

1)第1年11月-第2年3月(一期)

不拆除现有溢洪道闸门，利用原坝体挡水，关闭冲沙底孔进口闸门，利用φ1200取水管(原大坝供水管)过流的施工导流方式。导流标准为5年一遇枯期洪水，流量为23.7m3/s。

2)第2年4月-第2年10月(汛期)

利用坝体临时断面挡水，施工度汛采用预留缺口+底孔+取水管三者联合度汛，度汛标准为20a一遇全年洪水标准，度汛设计流量为503m3/s。

3)第2年11月-第3年3月(二期)

利用坝体挡水，底孔+取水管(原大坝供水管)过流进行施工导流，导流标准与一期相同。

2.2 施工进度计划

根据施工导流计划，因加高大坝不易新建导流设施，主要采用原有坝体取水及泄洪设备导流，故工程主体施工主要安排于两个枯期进行，汛期主要进行辅助及配套工程施工，主要施工进度计划为：一期不拆除溢洪道闸门，进行河床部分基础开挖、河床段垫层浇筑、固结灌浆、河床段坝体砌筑、河床段帷幕灌浆及坝体充填灌浆(原坝顶钻孔灌浆)、上游面防渗涂料等施工。采用现有坝体和闸门挡水，关闭冲沙底孔，采用取水钢管施工导流。二期拆除溢洪道闸门后，主要进行原溢洪道结构拆除、改建溢洪道结构浇筑及闸门安装等。

2.3 施工期蓄水水位选取

1)第1个枯水期(一期)蓄水水位选取

原大坝正常蓄水位运行多年，大坝上游面、供水取水口井筒、冲沙兼放空底孔等现状具体情况未知，同时，原大坝加高扩建河床段帷幕灌浆时库水位越低灌浆效果越好且上游坝面需增设防渗涂料，考虑第1年11月-12月降低库水位施工。根据《遵义市南郊水厂迁建及配套管网工程初步设计》，采用库内浮船泵站取水(浮船安装时，库内水位为原大坝正常蓄水位884.66m)，浮船最低运行水位876.5m。根据施工进度计划结合浮船运行安全，第1年11月-12月降低库水位至876.5m水位施工。

第2年1月-3月，此阶段仍采用原坝体及溢洪道闸门挡水，在保证大坝河床基础开挖安全施工、原大坝安全稳定基础上，抬高库水位尽可能多的供水。河床基础开挖后，大坝下游侧形成新的滑动临空面，根据大坝抗滑稳定计算复核，水库水位不得高于881.90m，即第2年1月-3月水库库水位不超过881.90m。

2)第2个枯水期(二期)蓄水水位选取

本时段为第2年11月-第3年3月，该施工时段主要进行原溢洪道结构拆除、改建溢洪道结构浇筑及闸门安装等施工。由于原有闸门已拆除，该时间段水库水位加风浪壅高不得高于堰顶高程881.66m。同时又需要尽可能满足下游城市供水需求，经计算相应频率洪水位壅高1.11m，选取相应的水库二期最高水位为880.50m。既保证下游施工作业面干地施工有最大可能满足供水需求。

2.4 不同蓄水位下供水能力复核

一期施工库水位：①第1年11月-12月，本阶段降低水位至876.5m进行上游面及原坝体防渗体施工，此阶段供水能力下降较多仅可供水32万m3，近乎供水能力，但该阶段仅持续1个月，时间较短；②第2年1月-3月，水库蓄水位为880.90m，对应库容309万m3，死水位为874.66m，死库容100万m3，兴利库容209万m3，可供水161万m3(95%)，与现状水库该时段供水量相比，水库供水量减少219万m3。

二期施工库水位：第2年11月-第3年3月，水库蓄水位为880.50m，对应库容290万m3，死水位为874.66m，死库容100万m3，兴利库容190万m3，可供水84万m3(95%)，与现状水库该时段供水量相比，水库供水量减少297万m3。

红岩水库现状供水情况为：城市可供水量为920万m3/a(P=95%)，无灌溉任务。遵义市主城区现状总供水量为24380万m3/a，红岩水库现状供水量占比为3.77%。遵义市主城区为多水源联合供水，城区现有各水厂已联网运行。红岩水库加高扩建工程实施时，水库现状供水量减少，供水量减少部分可通过联网调配，以保障主城区用水。加高扩建方案的设计和施工均在此基础上展开[1]。

3 坝体加高结构计算

3.1 坝体结构设计

工程推荐规划坝址原拱形重力坝加高方案，挡水大坝在原大坝上加高。加高后，坝顶高程提升至896.50m，由于下游坝段建基面开挖高程为859.00m，拱形重力坝最大坝高由原26.3m抬高至37.50m。为满足溢洪道闸门安装、及水库运行过程中管理人员观测等要求，同时满足坝体抗滑稳定要求，综合各项因素后坝顶宽度取为8.0m，另经上游水位计算坝顶可不设防浪墙，仅设置石材栏杆。坝轴线弧长150.70m，坝轴线圆弧半径200m，右岸弧角21.05°，左岸弧角22.12°。大坝左右两岸为非溢流坝段，位于桩号坝横0+000.0m-坝横0+049.469m、坝横0+097.479m-坝横0+150.700m。 河床段为溢流段，共长48.0m。

坝体非溢流坝段上游面垂直，下游坝坡为1∶0.8，下游起坡点高程为893.00m，坝顶宽8m。溢流坝段总长48.0m，设置5孔开敞式溢洪道表孔，堰顶高程890.00m。表孔设有7×4m(宽×高)弧形工作闸门，根据全年水位计算，溢洪道需设检修闸门用以工作闸门检修需要。溢洪道溢流堰面采用WES实用堰，下游泄槽段坡比采用1∶1.25上接溢流堰堰面，下接挑流鼻坎反弧段，溢洪道采用挑流消能，鼻坎后设置10m长护坦，挑流鼻坎高程872.443m，挑射角15°。

图1 非溢流坝段坝体加高结构设计图

3.2 坝顶高程计算

红岩水库加高扩建工程大坝为3级建筑物，大坝为50a一遇设计洪水标准，为500a一遇校核洪水标准。根据水文专业调洪成果，水库正常蓄水位取为894.00m时，水库设计洪水位计算值为894.17m (P=2.0%)，水库校核洪水位计算值为895.11m(P=0.2%)。根据规范要求，坝顶高程应根据水库静水位以及各种运行工况下相应安全超高两者联合计算所得，按照以下两种情况计算，取两者较大值作为坝顶高程计算值：

1)正常蓄水位+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

坝顶超高计算公式：

Δh=h1%+hz+hc

(1)

式中：h1%为波高，m；hz为波浪中心线与正常或校核洪水位的高差，m；hc为安全超高，m，按SL319-2018中表4.2.1规定：正常蓄水位工况下超高取0.4 m，校核洪水位工况下超高取0.3 m。

3.2.1 风浪要素计算

W<20m/s，D<20000m，采用官厅水库公式计算：

(2)

(3)

式中：h为当gD/W2=20-250时，为累积频率5%的波高h5%，m；当gD/W2=250-1000时，为累积频率10%的波高h10%，m；W为计算风速，该地多年平均最大风速根据气象资料为16.3m/s，在正常蓄水位工况下，计算风速可取为多年平均最大风速的1.5倍，为24.45m/s，校核洪水时计算风速取多年平均最大风速；D为吹程，该水库吹程为0.7km；Lm为平均波长，m[2]。

计算结果见下表：

表1 风浪计算成果表

3.2.2 hz(波浪中心线至计算水位的高度)确定：

(4)

式中：H为挡水建筑物迎水面前的水深，m；校核洪水位时坝前水深：36.10m；正常高水位时坝前水深：35.17m；h1%为累积频率1%的波高。

表2 hz值计算表

3.2.3 坝顶高程确定

根据上述工况下的水库静水位加上相应安全超高后的最大值确定最红坝顶高程。计算成果见表3：

表3 拱形重力坝坝顶高程计算成果表 m

由表3可确定坝顶高程为896.50m。

3.3 大坝稳定及应力计算

3.3.1 坝体抗滑稳定计算

按抗剪断强度公式如下：

(5)

式中：K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′、c′为分别为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力，kN/m3；A为坝基接触面截面积，m2；∑W—坝体上所有荷载相对于对坝基滑动平面的法向分力，t，计算坝底扬压力时，取坝基排水幕折减系数0.25、两岸坡排水幕折减系数0.35，施工期考虑原坝基排水孔年久失效，帷幕折减系数0.6；∑P为坝体上所有荷载相对于滑动平面的切向分力，t。

根据坝基及坝体力学参数选用抗剪断公式计算坝体抗滑稳定。抗剪断系数在荷载基本组合工况下>3.0，在荷载特殊组合工况下>2.5。

工程坝体在进行抗滑稳定及应力计算时，分了5种典型坝段分别进行计算：①河床非溢流坝段；②河床溢流坝段；③左岸近河床非溢流坝段；④右岸近河床非溢流坝段。⑤右岸坝肩段。

经计算，大坝施工期下游河床基础开挖后，大坝下游侧形成新的滑动临空面，其基本组合的坝基抗滑稳定安全系数K′>3.0，满足规范要求；完建期大坝沿新老坝体建基面滑动，其基本组合的坝基抗滑稳定安全系数K′>3.0；特殊组合工况下的坝体抗滑稳定安全系数K′>2.5，以上计算成果均满足规范要求[3]。

3.3.2 坝体应力计算

可采用材料力学法计算坝体应力，计算成果需保证在规定荷载组合下满足坝基面垂直正应力

工程原坝体采用M7.5浆砌块石，原坝体块石平均饱和抗压强度30MPa，根据《砌石坝设计规范》(SL25-2006)，其容许压应力值：基本荷载组合2.6MPa，特殊荷载组合3.0MPa。坝体加高部分采用C10细石混凝土砌毛石，依照《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2018)，其容许压应力值：基本荷载组合2.1MPa，特殊荷载组合2.5MPa。

地基弱风化岩体抗剪断强度混凝土/岩石(弱风化)f′=0.6，c′= 0.3Mpa；承载力fk=1.2MPa。

计算公式如下：

(6)

式中：T为坝体计算截面上游、下游方向的宽度；∑W为计算截面上全部垂直力之和，以向下为正；∑M为计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和，以使上游面产生压应力者为正[4]。

经计算，坝体最大压应力0.423MPa，且各种组合下均未出现拉应力，满足规范设计要求。

4 结 论

目前我国现存较多不满足现状需求的水利工程，后续将会出现大量水利工程除险加固或加高扩建，遵义市红岩水库加高扩建针对坝体稳定及应力计算等方面进行坝体加高设计，并对大坝加高现状以及供水与施工矛盾等方面进行了充分考虑，结合施工进度计划及坝体施工安全针对施工期蓄水水位作了详细计算及设计，对类似工程具有一定借鉴作用。