德隆水库堆石混凝土重力坝枢纽布置及结构计算

刘明菊

摘 要：针对德隆水库坝址区地形地质复杂，强岩溶及断层发育，岩体均一性差、抗变形能力不一致等问题。结合地质勘探和当地石料分析情况，综合考虑坝型适宜性、枢纽布置、边坡稳定和承压水影响等因素。优选能充分利用当地石料、基础开挖和坝体填筑量小、枢纽布置紧凑的重力坝方案。论证分析成果表明，大坝的应力、地基承载力及大坝整体稳定均满足规范要求，枢纽布置和结构体型设计合理，可为类似工程的设计提供技术指导。

关键词：坝型比选;堆石混凝土重力坝;岩溶裂隙;德隆水库

中图分类号：TV641.3+2     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）3-0071-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.017

Arrangement and Structure Calculation of Rock-filled Concrete Gravity Dam of Delong Reservoir

LIU Mingju

（Zunyi Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower， Zunyi 563002，China）

Abstract： In view of the complex topographical features problems such as strong karst and faults development， poor mass uniformity and different deformation resistance of rock， combined with geological exploration and local stone analysis， and comprehensively considering the dam type suitability， hydro-project layout， slope stability and confined water influence， the gravity dam scheme with compact layout， full using local stone， small excavation and filling volume has been preferred. The demonstration and analysis results show that the layout and structural shape design of gravity dam are reasonable， the foundation bearing capacity and dam stability can meet the specification requirements， and the dam is safe and stable which can provide technical guidance for engineering construction.

Keywords： dam type comparison and selection; concrete gravity dam; karst fissure; Delong reservoir

1 工程概況

德隆水库位于贵州省遵义市凤冈县土溪镇境内，是一座集农业灌溉、集镇及农村供水于一体的民生水利工程。水库正常蓄水位为868.00 m，总库容为1 490万m，挡水大坝为堆石混凝土重力坝，为Ⅲ等中型水库工程。德隆水库承担着2.17万人供水及8.354万m农田灌溉，设计年供水量为2 472万m，主要受益对象为土溪镇及新建镇。德隆水库是凤冈县灌区规划中的骨干水源项目，其建设对土溪镇及新建镇的发展具有举足轻重的作用。

2 坝址区地形条件

建坝河段河谷多为基本对称的V形谷，坝址河床高程为818.00～828.00 m，两岸多为第四系残坡积砂质黏土、崩塌堆积块石分布。河床为第四系冲洪积物覆盖，基岩零星出露。左岸受F断层切割，岩层产状左、右岸变化较大，左岸为N35～40°E/SE∠5～8°，右岸为N37～42°E/SE∠13～14°，坝址区地貌如图1所示。

3 坝型比选

坝址除右岸坡发育一号冲沟外，两岸对称性整体较好，上游河谷开阔，下游河谷相对较狭窄，地形从上游至下游逐渐变陡。区内出露地层主要为∈j薄层、极薄层粉砂岩以及∈j灰岩，岩层总体倾左岸偏下游，右岸分布F正断层，断层带岩体较破碎，在已成拦河坝的上游河床右侧有稳定的泉水分布。受泉点、岩性的分布以及下游单薄山脊的控制，大坝仅能选择在已成拦河坝至下游卸荷带bt间长约200 m的河段。

坝址区岩性软硬相间，灰岩主要分布于上游侧河床右侧，下游侧及左右岸为粉砂岩分布，其中粉砂岩力学指标低，灰岩力学强度指标较高。坝基肩岩体均一性差、抗变形能力不一，且左岸有F断层分布，坝址无建拱坝的地形地质条件，具无备建重力坝和土石坝的条件[1]。结合当地石料分布较为广泛，而土料分布相对较少的具体情况，优选重力坝和面板坝进行比选，主要结论如下。

3.1 坝基处理方面

坝址区分布∈j层中厚层灰岩、∈j薄层、极薄层粉砂岩，两种岩性变形指标存在差异，存在不均一变形问题，均须对基础做相应的固结灌浆处理。重力坝基础开挖后，左坝肩断层破碎带及影响带须做扩挖回填砼处理，而对混凝土面板堆石坝而言，断层带对基础开挖影响较小[2]，仅做固结灌浆处理即可满足要求。面板坝略优。

3.2 边坡开挖稳定方面

由于坝址区地形对称性好，受坝址两岸卸荷带破碎岩体影响，面板堆石坝下游侧距卸荷带bt1较近，边坡开挖易触及卸荷带致其失稳，边坡问题较突出，开挖难度大;而重力坝将坝基置于弱风化基岩上，地基承载力、变形及抗滑稳定均不存在大的问题[3]，仅须对左岸断层带及右岸松散坡积体进行处理，不存在大的边坡问题。重力坝略优。

3.3 枢纽布置方面

就面板堆石坝方案而言，左岸可采用泄洪洞泄洪，其进口段可避开F5断层带。但受断层切割影响，坝肩至下游侧山脊单薄，卸荷裂隙发育，遇岩溶洞穴的可能性大，存在圍岩稳定问题，且洞线长，开挖及衬砌等工程量大;坝址右岸覆盖层深厚，溢洪道开挖及基础处理工程量大，即布置岸边泄洪设施难度大。而重力坝在坝顶留缺口泄洪，可有效避免以上不良地质体开挖边坡的稳定问题。重力坝较优。

3.4 投资效益方面

面板堆石坝开挖、填筑方量大且工艺烦琐，工期长;而重力坝则相反，开挖、填筑方量工程量少，工期短[4]。重力坝优。

3.5 承压水影响方面

面板坝为柔性坝，承压水影响较大;而重力坝为刚性体，承压水对其影响相对较小。重力坝优。

从两种坝型技术特性分析可知，面板坝虽在地质适应性方面较重力坝略优，但在枢纽布置、边坡开挖稳定性、承压水影响等方面重力坝更优。因此，优选技术性能更可行、经济更优且安全可靠的重力坝方案。

4 水库枢纽平面布置

大坝位于干沟河上，水库枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、取放水建筑物等组成，如图2所示。

4.1 挡水建筑物

大坝为堆石混凝土重力坝，坝轴线方位角为N82.88°W，坝顶高程为873.00 m，河床坝段建基面高程为820.00 m，最大坝高为53.0 m，最大坝底宽为47.2 m，上游坝坡838.00 m高程以上铅直，838.00 m高程以下为1∶0.2;下游坝坡867.00 m高程以上铅直，867.00 m高程以下为1∶0.8。坝顶宽为7.0 m，坝顶总长为230.0 m。

4.2 溢洪道

大坝坝顶中段设泄洪表孔，泄洪方式为开敞式，堰顶高程为868.00 m，共3孔，溢流总净宽为24 m，孔顶设7.0 m宽交通桥连接大坝两端。溢流堰上游堰面曲线采用3∶2斜坡线和双圆弧曲线;下游面为WES曲线（曲线方程：y=0.17x1.81）、1∶0.8直线段组成。溢流坝面以半径为10.0 m的圆弧段接消力池，池底高程为822.50 m、消力池全长为26.0 m、宽为26.0 m，边墙高为5.5 m。

4.3 取放水建筑物

取放水建筑物布置在左坝段，紧靠溢洪道左侧墙。主要由闸门井、启闭排架、启闭机室、坝内埋管、闸阀及闸室等组成。进口底板高程为839.00 m，进口设2.0 m×2.0 m的平面检修闸门，其后通过方变圆接管径为DN2 000 mm钢管;在大坝下游侧分别接出1根DN1 400 mm放空管和1根DN1 600 mm放水管。在DN1 400 mm放空管上接出1根DN300 mm生态放水涂塑钢管，并设相应尺寸的闸阀控制放水，且将所有工作闸阀布置在同一闸室内;DN1 400 mm放空管末端接入溢洪道消力池内，DN1 600 mm放水管末端与输水管道连接。

5 大坝结构设计计算

5.1 坝顶高程确定

德隆水库校核洪水位为872.02 m，设计洪水位为870.85 m。计算风速分别为：正常情况18 m/s;校核情况12 m/s。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2018）[5]，坝顶高程为水库静水位加坝顶超高（坝顶距水库静水位高度）Δh。按两种情况计算，成果如表1所示。

从表1可知，计算坝顶高程为872.82 m，坝顶宽度的确定应同时满足设备布置、检修、交通及观测等方面要求，综合考虑后，坝顶宽度采用7.0 m，选定坝顶高程为873.00 m。

5.2 大坝稳定及应力分析

5.2.1 荷载组合。坝址两岸地形对称性好，坝基及两坝肩主要以粉砂岩、灰岩为主。粉砂岩主要分布于两岸坡及河床浅表层，为较软岩，河床以下多以灰岩为主，为中硬岩。分析基本荷载共6种：①坝体自重;②静水压力;③扬压力;④大坝上游淤沙压力;⑤浪压力;⑥动水压力。稳定和应力分析各种工况下荷载组合情况，如表2所示。

5.2.2 坝体应力计算。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2018）[5]，结合德隆水库特性，采用刚体极限平衡法和材料力学法进行分析，计算成果如表3所示。

从表3应力成果可知，在上述4种运行工况下坝体的最大压应力、拉应力均在规定的允许范围内，且压应力均小于坝基允许承载力。因此，坝基承载力满足要求，大坝设计结构应力分布合理。

5.2.3 大坝整体稳定分析。坝基岩层倾左岸偏下游，为斜向或走向河谷结构，倾角为5～14º。受断层F5影响，区内裂隙发育，主要发育有4组裂隙，Ⅰ组产状为N5～20˚E/NW∠70～80˚，Ⅱ组产状为N60～80˚E/NW∠60～85˚，Ⅲ组产状为N40～50˚E/SE∠67～85˚，Ⅳ组产状为N45˚W/NE∠70～80˚。控制大坝坝基抗滑稳定的滑动模式主要有3种。①第一种滑动模式（以下简称滑模①）：计算坝段沿建基面与混凝土接触面的浅层滑动。②第二种滑动模式（以下简称滑模②）：计算坝段双滑裂面的深层滑动（组合面：Ⅱ组裂隙为拉脱面、岩层层面为底滑面，再通过假定一组β角，从中求出安全系数最小的滑裂面与之对应的β=37°，即第二滑裂面沿与水平面夹角为37°剪断岩体）。③第三种滑动模式（以下简称滑模③）：计算右坝段单滑裂面的深层滑动（组合面：Ⅱ组裂隙为拉脱面、岩层层面为底滑面，下游①号冲沟临空面为滑出面）。根据《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）[6]计算，成果如表4所示。

从表4抗滑稳定计算成果可知，在基本组合和特殊组合工况下，三种滑动模式最小安全系数均满足规范要求，坝体结构设计稳定可靠。

6 结语

德隆水库坝址区地形地质条件较复杂，碳酸盐岩与碎屑岩均有出露，虽未见大型岩溶形态分布，但存在小型岩溶管道分布。从坝型比选、枢纽布置和大坝结构设计计算等方面进行了论证分析，得出以下结论。

①坝址区岩性软硬相间，坝基肩岩体均一性差，抗变形能力不一，且左岸有F断层分布。经坝型综合比选，重力坝相对面板坝更优，设计优选枢纽布置紧凑、边坡开挖稳定性好、承压水影响较小的堆石混凝土重力坝坝型。

②应力及稳定性分析成果表明，在基本组合和特殊组合工况下，大坝的应力、坝基承载力和大坝整体稳定性均满足规范要求，大坝结构设计合理。

参考文献：

[1] 曹丽娟，张楠，李林可，等.堆石混凝土在石河水库除险加固工程中的应用[J].水利规划与设计，2014（12）：52-54.

[2] 赵志远，龙明星，李斌旭.毛竹林水库混凝土面板堆石坝设计[J].水利技术监督，2018（5）：221-224.

[3] 张文胜，何涛洪，张全意，等.堆石混凝土重力坝设计创新与应用实践[J].红水河，2020（2）：10-14.

[4] 甘泽，杨荟颖，韩秋八，等.关于软岩地基上修建堆石混凝土坝的探讨[J].水利技术监督，2021（11）：204-206，220.

[5] 水利部.胶结颗粒料筑坝技术导则（SL 678—2014）[S].北京：中国水利水电出版社，2014.