罗家沟山塘埋石混凝土重力坝枢纽布置及结构计算

张晓松

摘 要：结合罗家沟山塘工程地质条件，综合考虑建筑材料、施工工艺和投资经济性等因素，本研究优选筑坝材料丰富、埋石率高、坝体温控效果好和综合投资较优的C15埋石混凝土重力坝方案。大坝结构计算结果表明，坝体设计方案合理可行，抗滑稳定安全系数高，应力分布均匀，可为工程高效优质的建设提供重要技术指导。

关键词：埋石混凝土;重力坝;枢纽布置;罗家沟山塘

中图分类号：TV61文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）11-0047-03

Pivot Layout and Structural Calculation of Concrete Gravity

Dam in Luojiagou Mountain Pond

ZHANG Xiaosong

（Guizhou Tuotu Resources Development Co.， Ltd.，Guiyang Guizhou 550002）

Abstract： Combined with the engineering geological conditions of Luojiagou mountain pond， and considering factors such as building materials， construction technology and investment economy， this study selected a C15 buried rock concrete gravity dam with abundant dam materials， high rock burial rate， good temperature control effect of the dam body， and better comprehensive investment. The calculation results of the dam structure show that the dam body design scheme is reasonable and feasible， the anti-sliding stability safety factor is high， and the stress distribution is uniform， which can provide important technical guidance for the efficient and high-quality construction of the project.

Keywords： rock-buried concrete;gravity dam;pivot layout;Luojiagou mountain pond

罗家沟山塘工程位于贵州省毕节市金沙县高坪镇联合村境内，距高坪镇政府4 km，距离金沙县城约43 km。罗家沟山塘位于高坪镇的罗家沟，属于长江流域乌江水系花滩河一级支流田堡小河的右岸支流。罗家沟为山区雨源型河流，全流域面积为3.08 km2，河长为4.43 km，河道平均比降为50.7‰。坝址以上流域集雨面积为1.87 km2，主河道长为2.31 km，河床平均坡降为110.7‰。罗家沟山塘工程任务为人饮供水，供水范围为高坪镇集镇，可解决5 520人的生活饮用水问题。山塘枢纽由C15埋石混凝土重力坝、开敞式溢洪道、放空兼取水管道等组成。山塘正常蓄水位为1 368.00 m，死水位为1 363.00 m。正常蓄水位以下库容为6.88万m3，总库容为9.77万m3。工程总库容小于0.001×108 m3，按小（2）型水库进行设计，工程等别为Ⅴ等。

1 坝址区工程地质条件

坝区处于溶蚀地貌的溶丘洼地，坝址河谷为不对称V形谷，河谷走向为北东3°，总体表现为横向谷。坝址河床地形平坦，无陡坎，跌水。河床高程为1 358～1 359 m，当正常蓄水位为1 368 m时，谷口宽为53.6 m，宽高比为5.36。

根据地表地质测绘，坝区出露地层为二叠系下统茅口组（P1m）、第四系残坡积层（Qedl）及冲积层（Qal）。坝区无断层发育;两岸及河床发育2组构造节理裂隙，未见较大的卸荷裂隙发育;根据地表地质调查及钻探揭露，库区出露岩性为中-硬质岩类，右岸在勘察过程中未发现软弱夹层。根据钻探揭露及声波测试，综合本地区同类工程分析，左岸强风化厚度为5～6 m，弱风化厚度为8～9 m;河床强风化厚度为3～4 m，弱风化厚度为6～7 m;右岸强风化厚度为7～8 m，弱风化厚度为9～10 m。坝区两岸未见崩塌堆积体、滑坡、大型松散堆积体等影响建坝的不良地质体分布。

2 坝型适宜性分析比选

坝址河谷呈不对称V形谷，地形较陡，在设计正常蓄水位1 368 m的条件下，对应谷宽为53.6 m，宽高比为5.36。两岸基岩多裸露，强风化基岩为块状结构，弱风化岩体为层状结构，左岸为逆向坡、右岸为顺向坡，坝址地形比较完整，坝址区无断层构造发育，地形地质条件比较简单，坝址具备修建重力坝的地形地质条件[1-2]。本设计以C15埋石混凝土重力坝作为主推方案，以C15混凝土重力坝作为比选方案，比选成果如表1所示[3-4]。

从表1对比分析可知，C15埋石混凝土重力坝和C15混凝土重力坝方案在技术上均可行，均与工程地形地质具有较好的适宜性。但是，C15埋石混凝土重力坝在造价上更加经济，在施工工艺上优于C15混凝土重力坝，在建筑材料上减少了水泥用量，对温控没有要求。因此，罗家沟山塘大坝坝型选定为C15埋石混凝土重力坝。

3 埋石混凝土重力坝枢纽布置

罗家沟山塘首部枢纽由C15埋石混凝土重力坝、坝顶开敞式溢洪道、放空兼取水管道等組成。

3.1 挡水建筑物

大坝为C15埋石混凝土重力坝，坝顶高程为1 369.90 m，最大坝高为17.40 m，坝顶宽为3.00 m，坝底最大宽度为12.96 m，坝顶全长为72.50 m，其中左岸非溢流坝段长为34.50 m，右岸非溢流坝段长为25.00 m，河床溢流坝段长为13.00 m。

坝体断面形式是在三角形基本剖面的基础上，根据不同的使用要求而拟定的实用剖面，根据调洪计算及构造要求，非溢流段坝顶宽度为3.00 m，坝顶高程为1 369.90 m。坝体上游铅直，下游坝坡为1.00∶0.75，起坡点高程为1 365.78 m。

大坝坝体设计分为基础垫层（含坝基齿槽）、坝体部分、坝顶部分和溢流面等四区。坝体各部位采用不同的筑坝材料。一是基础垫层（含坝基齿槽）。垫层厚度为1.5 m，混凝土强度等级采用C20，设计容重为24 kN/m3，抗渗等级为W4，抗冻等级为F50。齿槽深为1.5 m，混凝土强度等级采用C20，设计容重为24 kN/m3，抗渗等级为W4，抗冻等级为F50。二是坝体部分。其采用C15埋石混凝土，埋石率为20%，埋石最大边长不宜大于100 cm，单块質量宜大于25 kg，中部或局部厚度不宜小于20 cm，石料抗压强度不小于40 MPa，埋石体设计密度为2 300 kg/m3;天然砂和人工砂最大粒径宜小于5 mm;混凝土强度等级为C15，抗渗等级为W4，抗冻等级为F50。三是坝顶部分。坝顶厚度为0.5 m，混凝土强度等级采用C20，设计容重为24 kN/m3，抗渗等级为W4，抗冻等级为F50。四是溢流面区。钢筋混凝土溢流面厚为0.5 m，混凝土强度等级采用C25，设计容重为24 kN/m3，抗渗等级为W4，抗冻等级为F50。

大坝坝身共分4条横缝，横缝桩号分别为0+012.40、0+025.00、0+038.00、0+052.60，其将坝体分为5个坝段。横缝的上游面布设不锈钢片止水、橡胶止水，止水片必须与坝基岩石妥善连接，止水片埋入基岩内40 cm。

3.2 溢洪道

溢洪道为无闸门控制的开敞式自由溢流表孔泄洪形式，布置于主河槽内，堰顶高程为1 368.00 m，溢流堰分为两孔，单孔净宽为5.00 m，溢洪道净宽为10.00 m，中墩及两侧边墩厚为1.00 m;堰顶设置宽3.00 m的交通桥。

溢流堰为WES型实用堰，由上游面曲线、下游面曲线、泄槽段和消能工等组成。堰顶上游段堰头采用三圆弧曲线，下游为幂曲线。堰面曲线定型设计水头（[Hd]）按高堰计算时，取[Hd]=（0.75～0.95）[Hmax]，[Hmax]为校核流量下的堰上水头，为1.42 m，[Hd]取1.349 m。上游以三段圆弧与铅直坝面连接，三段圆弧半径分别为0.675 m、0.270 m、0.054 m。

堰顶下游采用规范推荐的WES幂曲线，堰面下接坡度比为1.00∶0.75的堰坡。溢洪道出口消力池采用底流消能，消力池长为11.00 m，挖深为0.80 m，底板高程为1 356.50 m，消力池边墙采用C25钢筋混凝土，设计墙高为3.80 m，厚为1.00 m;消力池底板厚为1.00 m，采用C25钢筋混凝土浇筑。溢洪道顶部设置交通桥，交通桥设置于坝顶上，宽为3 m。

3.3 取水兼放空管

取水及放空建筑物布置于大坝左岸0+046.30，由取水口、坝内埋管、下游闸阀室组成。取水口前布置成台阶式，台阶长为2.00 m，宽为1.00 m，台阶上设置0.75 m高的拦沙坎，拦沙坎采用C25钢筋混凝土浇筑，厚度为0.50 m。拦沙坎顶部设置拦污栅，坝内埋设DN500 mm钢管，中心线高程为1 361.50 m，管身采用0.20 m厚的C20混凝土外包。管道穿进坝体之后设置两个弯管将管道中心高程降至1 358.95 m，管道穿出坝体之后进入闸阀室，在闸阀室内一分为三，分别为DN500 mm放空管、DN100 mm生态放水管、DN300 mm供水管。其中，放空管和生态放水管接入溢洪道消力池内，各管道出口分别设置闸阀控制放水。

4 大坝结构设计计算

4.1 坝顶高程计算

由调洪计算成果可知，大坝设计洪水位（洪水频率P=5%）为1 369.14 m时，最大下泄流量为25.40 m3/s;大坝校核洪水位（洪水频率P=1%）为1 369.42 m时，最大下泄流量为33.70 m3/s;坝顶高程满足消能防冲洪水标准（洪水频率P=10%）时，大坝上游洪水位为1 369.07 m，下泄流量为21.50 m3/s。根据《砌石坝设计规范》（SL 25—2006），按三种工况计算取较大值：正常高水位+正常运行条件下的坝顶超高;设计洪水位+正常运行条件下的坝顶超高;校核洪水位+非常运行条件下的坝顶超高。坝顶高程计算成果如表2所示。

表2计算结果表明，防浪墙顶高程的控制情况为校核洪水位加非常运用条件情况，计算所需墙顶高程为1 369.87 m。根据《溢洪道设计规范》（SL 253—2018），在宣泄校核洪水位时，溢洪道控制段的闸墩顶部高程不应低于校核洪水位加安全超高值，即不低于1 369.62 m。初步确定溢洪道顶交通桥桥板厚0.20 m，则坝顶高程不小于1 369.82 m，因本工程溢洪道布置于大坝中间，为保证坝顶高程与闸墩顶部高程协调一致，确定大坝坝顶高程为1 369.90 m，上游设置1.20 m高防浪墙，防浪墙顶高程为1 371.10 m。

4.2 大坝稳定及应力分析

4.2.1 坝体抗滑稳定分析。大坝抗滑稳定计算选取混凝土垫层与坝基接触面作为验算截面，计算各截面的抗滑稳定安全系数。抗滑稳定按抗剪断公式进行分析，计算结果如表3所示。

根据《砌石坝设计规范》（SL 25—2006）和《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2018），基本组合情况K>3.00，特殊组合情况K>2.50。从计算成果来看，坝基抗滑稳定安全系数均大于规范要求值，稳定性好且安全富裕度较高。

4.2.2 坝体应力分析。根据罗家沟山塘工程特性，按照《砌石坝设计规范》（SL 25—2006）和《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2018），坝体应力采用材料力学法进行分析[5]，分析成果如表4所示。

由表4可知，各验算截面均满足规范要求，大坝基本剖面设计合理可行。

5 结论

经坝型比选，埋石混凝土重力坝和混凝土重力坝均具有较好的地质适宜性和技术可行性，但埋石混凝土重力坝埋石率达到20%，工程造价较低，经济性更好。按照投资节省原则，本设计优选埋石混凝土重力坝坝型方案。结合调洪特征水位，本设计确定坝顶高程为1 369.90 m，防浪墙顶高程为1 371.10 m。稳定性和坝体应力分析结果表明，不同运行工况下，坝体抗滑稳定安全系数和坝体应力均满足规范要求值，大坝基本剖面设计合理可行，结构安全稳定。

参考文献：

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[4]周义波，刘茂.镇远县金盆水库大坝坝型比选[J].陕西水利，2020（1）：162-163.

[5]刘洋.白石水库坝体结构稳定性计算评价[J].中国水能及电气化，2020（11）：56-59.