野猪坑水库结构及大坝设计计算分析

肖天礼

(江西省赣州市赣县区水利局，江西 赣州 341100)

根据防洪相关规定可以得知：山区、丘陵区水库工程5级建筑物防洪标准为：设计洪水标准50～30a一遇，校核洪水标准500～200a一遇(混凝土坝)。由于野猪坑水库大坝库容在工程等别分类中处于下限，因此，需要在设计过程中，首先针对洪水情况，对其上限进行判断。在本研究中，假设30a一遇为洪水的主要标准，而校核洪水假设200a一遇。溢流坝消能防冲设计洪水标准：10a一遇。由于大坝(船底窝)属于山塘，设计确定各大建筑物洪水标准的下限数值，与野猪坑水库大坝存在一定差异，洪水以及校核洪水的两项假设指标数值可以设计为20a以及100a。整体上比前者的年限要短。溢流坝消能防冲设计洪水标准：10a一遇。

1 大坝工程结构

新建野猪坑小(2)型水库一座，其中建设野猪坑78m长重力坝一座、船底窝40.5长重力坝一座,野猪坑水库由野猪坑水库大坝和船底窝山塘大坝组成，野猪坑水库大坝和船底窝山塘大坝由连通管相连。

1.1 野猪坑水库大坝结构

大坝采用重力坝，由左、右岸非溢流坝、溢流坝组成。大坝总长76.00m，成“一”字型布置。

按《混凝土重力坝设计规范》要求“非溢流坝段的坝顶宽度≥3.0m”。结合非溢流坝坝体稳定计算结构要求，取坝顶宽5.0m。左、右岸重力坝段长分别为36.0m、27.0m，坝顶高程189.9m，坝顶宽5.0m，左、右岸重力坝最大坝高均为29.4m。重力坝上游面179.0m高程以上为铅直面，以下为1:0.1的斜坡面；下游184.5m高程以上为铅直面，以下为1:0.75的斜坡面。

重力坝坝基设1.0m厚C25混凝土底板，临水面设1.0m厚C25混凝土防渗面板，坝体采用C15埋石混凝土浇筑[1]。

根据布置情况左岸非溢流坝长36m，溢流坝长13m，右岸非溢流坝长27m。大坝共设4条横缝，左岸非溢流坝分为2段，长度均为18.0m，右岸非溢流坝分为2段，长度分别为14.0、13.0m，分缝缝宽均为20mm，缝间上游设紫铜片止水，缝间用沥青杉板嵌缝。

1.2 船底窝山塘大坝结构

大坝采用重力坝，由左、右岸非溢流坝、溢流坝组成。大坝总长40.5m，成“一”字型布置。

按《混凝土重力坝设计规范》要求,结合非溢流坝坝体稳定计算，左、右岸重力坝段长分别为13.16m、20.34m，坝顶高程189.9m，坝顶宽4.0m，左、右岸重力坝最大坝高均为14.9。重力坝上游面181.0m高程以上为铅直面，以下为1:0.1的斜坡面；下游185.0m高程以上为铅直面，以下为1:0.65的斜坡面。

重力坝坝基设1.0m厚C25混凝土底板，临水面设1.0m厚C25混凝土防渗面板，坝体采用C15埋石混凝土浇筑。

根据布置情况大坝全长40.5m，溢流坝长7m，左岸非溢流坝长13.16m，右岸非溢流坝长20.34m。大坝设1条横缝，右岸非溢流坝分为1段，长度分别为20.34m；左岸非溢流坝和溢流坝为1段，长20.16m。分缝缝宽为20mm，缝间上游设紫铜片止水，缝间用沥青杉板嵌缝。

野猪坑水库为供水水源，野猪坑水库大坝由坝式取水口取水，引水钢管从取水口坝后引出，在距左岸非溢流坝坝脚约20m处与原PE管相接。

1.3 溢流坝消能方式选择

本工程上、下游水位差较大，可考虑采用挑流消能或底流消能。采用底流消能方式，会使溢流坝断面加大，且消力池较长，土石方开挖及混凝土方量大，造价较高。挑流消能结构简单，造价相对底流消能较少，并且溢流坝下游岩石条件能满足挑流消能的要求，因此推荐采用挑流消能方式。

2 大坝设计计算

2.1 坝顶高程计算

坝顶高程计算采用《混凝土重力坝设计规范》规定的公式计算：

计算公式：水库大坝最低点到大坝顶端高度=水库抽水前的地下水位+Δh

Δh=h1%+hz+hC

(1)

式中：Δh为坝顶距水库静水位的高差，m；h1%为波高，m；hz为波浪中心线位置至至水库静水位高度，m；hC为各建筑物顶部超出标准水位的高度，m。

大坝为4级建筑物，设计波高采用累积频率为1%的波高h1%。波浪的波高和平均波长采用官厅水库公式计算：

(2)

波浪中心线至计算水位的高差按下式计算。

(3)

式中：H为挡水建筑物迎水面前的水深，m。

坝顶高程分别计算正常蓄水位及校核洪水位两种情况。野猪坑水库大坝坝顶高程计算成果表，见表1；船底窝山塘大坝坝顶高程计算成果表，见表2。

表1 野猪坑水库大坝坝顶高程计算成果表

表2 船底窝山塘大坝坝顶高程计算成果表

根据表1、表2中计算结果，坝顶高程由校核洪水位控制，确定坝顶高程为189.90m。

2.2 溢流坝泄流能力计算

溢流坝布置在河床中部，溢流堰为WES堰，无闸控制，其泄流能力计算公式为：

(4)

式中：Q为泄流流量，m3/s；σs为淹没系数，取为1.0；ε为侧收缩系数；m为流量系数；n为孔数；b为单孔净宽，m；H0为计入行近流速水头的堰上水头，m。

溢流坝泄流能力计算结果，野猪坑水库大坝溢流坝泄流曲线表，见表3；船底窝山塘大坝溢流坝泄流曲线表，见表4。

表3 野猪坑水库大坝溢流坝泄流曲线表

表4 船底窝山塘大坝溢流坝泄流曲线表

2.3 溢流坝和非溢流坝稳定以及应力分析

由大坝的具体分布特点和各个切面的实际设计可知，野猪坑水库大坝溢流坝选取整个坝段；非溢流坝选择1个计算断面，为最大坝高断面(取单宽)。船底窝山塘大坝溢流坝选取整个坝段及左岸非溢流坝；右非溢流坝选择1个计算断面，为最大坝高断面(取单宽)。

坝基面稳定和应力计算应采用《混凝土重力坝设计规范》规定的公式计算[1]。

基于相应规范进行计算后，得到如下结果：

岩体物理力学指标：弱风化变质砂岩抗剪系数f=0.52，抗剪断系数f′=0.72，凝聚力c′=450KPa。考虑排水有效时渗透压力强度系数河床坝段0.25，岸坡坝段0.35；考虑排水无效时渗透压力强度系数0.6。野猪坑水库大坝稳定应力计算成果，见表5；大坝稳定应力计算成果表，见表6。

表5 野猪坑水库大坝稳定应力计算成果表

表6 大坝稳定应力计算成果表

根据表5、表6中计算结果表明，大坝各坝段坝基面稳定和应力均满足要求。

2.4 下游消能防冲计算

为了明确下游消能防冲情况，需要首先掌握挑距以及冲刷坑最大深度两项指标。在此基础上，冲刷坑上游坡度计算公示为：

i=t/L

(5)

式中：i为冲刷坑上游坡度。

当基本上每10a遭遇一次的泄水泄洪事件发生时，野猪坑水库大坝i=1.93/20.65=1/10.65，船底窝水库大坝i=1.18/22.70=1/19.23。冲刷坑许可的最大后坡iK=1/2.5～1/5。由于均i

3 大坝安全监测设计

3.1 变形监测

垂直位移观测采用精密水准仪法，水平位移观测采用视准线法，具体布置为：在坝顶靠近上游侧设置1条视准线，视准线上设置位移标点、两岸坝肩设置各1个工作基点和1个校核基点。

3.2 坝基扬压力及坝肩渗漏监测

大坝坝基扬压力及坝肩绕坝渗漏采用埋设测压管进行监测。

3.3 大坝水位观测采用水尺测量。

1)大坝上游的水位观测，在离大坝上游约50m处设置水尺。

2)主要检查项目为：①大坝顶端是否存在裂痕、与正常不符合的变形状况、存有积水或者植物生长影响大坝使用等现象；②大坝的各个坡面以及大坝地基是否存在裂缝或者积水渗水现象。

4 结 语

文章介绍了该项工程在促进资源综合利用方面的重要作用。通常情况下，可以通过水库选择较高蓄水水位，进而对天然水能源进行充分利用，切实提升自然资源的利用效率，避免造成资源浪费等不当行为。投入到建设当中的新工程不会对天然水源的水质造成直接影响。因此，下放环境水的水源仍然可以在下游其他用水中使用，并且满足用水需求，促进综合利用价值的有效提升。