龙泉市瑞垟引水工程L型重力坝优化设计

熊 军

(龙泉市瑞垟引水一期工程项目建设指挥部，浙江 龙泉 323700)

堰坝是水利水电枢纽工程的重要组成部分。拦河堰坝布置在主河道上，既能起到一定的拦蓄水作用，又能够泄洪，在灌溉、防洪、引(供)水、生态景观等工程中广泛使用，有着较高的研究和应用价值[1]。

龙泉市瑞垟引水一期工程引水堰坝原设计方案为传统的重力坝，正常蓄水位266.5 m，坝体总长148.59 m，其中溢流坝段长74 m，溢流面顶高程266.5 m；非溢流段坝顶高程271.0 m，最大坝高15 m；左岸挡水坝段中预埋直径100 cm的生态放水管兼冲砂管；左坝肩伸入山体22.51 m；永久占用基本农田4 000 m2。从理论与技术方面考虑，原设计方案是可行的，但根据引水堰坝所处位置的实际情况，存在以下问题：

1) 永久占用基本农田过多，当地村民较为抵触，且左坝肩原始开挖线内有多处坟地，政策处理难度大。

2) 左坝肩施工期间需对县道X101开挖，前往上游屏南镇的道路需临时改至施工区，社会车辆通过施工区，交通导行与安全风险高；同时该坝段施工完成后道路需进行恢复，增加投资成本。

3) 左坝肩伸入山体22.51 m，需大面积开挖，破坏原始林地较多。

针对类似占用较多土地和开挖土方量较大的堰坝，需要根据场址区的具体地形和地质条件，探索一种新的实用坝型或进行坝型的重新布置，使工程设计更为安全适用、成本合理[2]。在分析传统重力坝的基础上，一种L型布置的新型重力坝型式受到学者们的关注，有学者认为该坝型具有独特的逆向坝坡，坝面水压和坝体自重产生的弯矩方向相反，坝体抗滑稳定性更优[3]。同时，也有学者针对新型的导流板式异形丁字坝开展了结构设计优化研究[4]。这些研究给龙泉市瑞垟引水一期工程引水堰坝的优化设计提供了有益的参考。

龙泉市通过对该工程场址区的工程地质条件进行深入分析，借鉴国内类似工程的研究成果，对原设计方案进行了初步调整[5-6]。在此基础上，通过对坝址区工程地质条件分析，开展稳定计算,确保方案调整后堰坝的结构稳定[7-9]。

1 坝址区工程地质条件

1.1 地层岩性

本工程区域地质构造属华夏大陆台闽浙地质组成部分，即华南褶皱系、浙东南褶皱带，构造形迹以褶皱为主，龙泉境内为低山和中山。坝址位置主要涉及的具体岩土层位如下：⑥-2层卵石、⑨-1含碎石粉质黏土、-1全风化变质花岗岩、-2强风化变质花岗岩、-3中风化变质花岗岩。

⑥-2层卵石：冲洪积层(Q3pl-al)，灰褐色，中密～密实，层厚1.90～3.20 m。渗透系数较大，为1.0×10-2cm/s，属强透水层，不宜作为本工程坝基的持力层。

⑨-1层含碎石粉质黏土：残坡积层(Q3el-dl)，黄褐、红褐色，稍密～中密，层厚0～0.50 m。属弱透水层。工程性能较差，部分地段层厚较薄，强度不足以满足设计要求，不建议作为本工程的坝基持力层。

坝址区未见有断层、褶皱情况，坝址区上部节理发育较好，下部节理不发育，岩体总体较完整，节理面可见铁锰质渲染。

左右坝肩坡度较缓，右坝肩基岩出露，左坝肩植被发育，覆盖层较厚，自然边坡处于稳定状态，坝基以强、中风化基岩为持力层，需开挖较深。开挖坡比按表1进行，必要时采取临时支护措施。

表1 坝址区各岩土层开挖坡比

1.2 地质构造

堰坝区位于花岗岩区，沿线未发现滑坡、危岩、泥石流等不良地质现象分布，且不受外围不良地质现象影响，场地稳定。

1.3 岩体风化卸荷

根据前期地质资料，揭示岩性主要为加里东侵入岩(γ3)岩性为变质花岗岩，沿线花岗岩全风化带厚度一般为3.10～6.20 m，强风化带厚度一般为1.40～5.60 m。

1.4 水文地质条件

根据地下水的含水介质、赋存条件、水理性质和水力特征，场地地下水类型主要是表层土体内第四纪松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水，分述如下：

1) 孔隙潜水

拟建场地孔隙性潜水主要分布于进水厂地面钢管段，由大气降水和地表溪流径流补给，潜水水量不大，地下水位随季节变化，地下水位年变幅1～2 m。勘探期间地面钢管段测得钻孔静止水位埋深0.50～3.50 m。

2) 基岩裂隙水

工程区深部基岩裂隙水水量受地形地貌、岩性、构造、风化及季节性降雨影响较大，补给来源主要为上部上层滞水、第四系松散岩类孔隙潜水，其次为基岩风化层侧向径流补给；径流方式主要通过基岩内的断层、节理裂隙由高处向低处渗流，本场地基岩裂隙水水量不大、径流缓慢，对工程影响小。勘探期间山岭隧道段测得钻孔静止水位一般埋深3.00～24.00 m，地下水位年变幅5～10 m。

1.5 不良地质作用

根据现场调查、地质测绘及钻孔揭露，场地为槽谷地形，地形平缓，两侧边坡覆盖层较薄，场地内及其周边未发现有滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用。

1.6 综 述

根据地质勘测资料，该位置满足堰坝建设的条件，但左坝肩植被发育，覆盖层较厚，需要开挖较深；而堰坝上游原始河道左岸基岩出露，地质条件良好。同时结合现场具体情况，施工条件很好，便于大型机械进场，利用X101道路，便于进行坝体混凝土浇筑。

2 坝型设计优化

2.1 堰坝结构调整概况

根据堰坝工程区基本农田分布，以及坟地(位于堰坝左侧挡水坝段所在山体)、现有道路等现场实际情况，加快推进项目进场建设，经项目参建方充分讨论研究，拟对堰坝结构布置进行调整。

1) 对堰坝溢流坝段宽度进行调整，由原来74.0 m调整为58.8 m，溢流坝段下游的右侧导水墙相应调整，并略向河道偏转，以减少堰坝下游的征地。因溢流宽度变化导致洪水位及单宽流量变化，相应调整坝顶高程及消能防冲结构。

2) 左岸挡水坝段改为折向上游的衡重式挡墙，总长约80 m，以避开左岸的坟地和左坝肩的大开挖，并确保左岸公路畅通，堰坝型式由传统的拦河重力坝改为L型布置重力坝。堰坝结构调整见图1。

图1 堰坝结构布置调整图

3) 生态流量泄放管调整由大坝左岸挡水坝段布置，调整至大坝右岸坝段布置。

管道中心线高程263.0 m，首部埋置与大坝混凝土内，后部埋管布置，尾部通向冲沙放空渠道内，管径DN400，螺旋焊接钢管，长度30 m。管道头部布置拦污栅，坝后布置检修、工作阀，集中布置于检修阀井内。

灌溉放水管同生态流量泄放管并排，同高布置，布置于同一坝段，布置形式同生态流量泄放管，管径DN200，螺旋焊接钢管，长度30 m。管道过坝后接原灌溉渠道。

2.2 工程等级和设计标准

堰坝结构调整后，本工程等级和设计标准保持不变。本工程各单体永久性水工建筑物级别，根据所属工程级别和建筑物重要性确定，主要建筑物为3级建筑物(埋管、调流阀等)，堰坝高度低，根据规范，降低一级为4级建筑物；次要建筑物为4级建筑物(检修排水设施、交通道路等)；临时建筑物按5级设计。

2.3 调整前后方案比较

方案比选主要考虑地形地质条件、建筑物布置条件、施工条件、技术风险以及投资等方面。

1) 坝基处理

按照原设计方案，堰坝左坝肩坡度较缓，植被发育较好，自然边坡处于稳定状态，坝基以强、中风化基岩为持力层，基础开挖需要进行炸药爆破。堰坝优化后上游坝基以强风化基岩为主，地质条件较好，仅需少量机械、人工开挖即可，避免了左坝肩的大开挖。

2) 政策处理

方案优化后的上游挡墙属于河道滩地，不需要占用农民的林地、田地，对原始地貌的破坏也降到最低。政策处理工作能够很快进行，既降低了项目成本，也有利于项目能尽早进入施工阶段，为后续的工期计划提供了极大的便捷。

3) 环境保护

堰坝坝型优化后，堰坝溢流段长度由74.00 m调整为58.80 m，右岸引水渠平面位置向河道两侧偏移，减少基本农田的永久占用。通过对原设计图与优化后设计图的对比，减少基本农田占用896.15 m2，同时避免了左坝肩伸入山体22.51 m的开挖工程，保护了自然环境。

4) 工程量及投资

两种方案主要工程量及投资情况见表2。

表2 左坝肩工程量与投资比较表

通过对两种方案主要工程量与投资的对比，坝型优化后的方案虽然在土石方开挖量上有了极大的减少，但在混凝土方量上有较大的增加；坝型优化后，县道X101不需要开挖，也不需修建临时道路。仅从工程成本考虑，堰坝优化后相比于原设计成本增加25.42万元。

5) 工程安全

从安全方面分析，堰坝优化后无须对县道X101进行改线，对社会车辆的日常通行不会造成影响，且堰坝施工区与县道X101之间利用安全围栏进行隔离，便于安全管理以及上游屏南镇群众安全出行。

通过以上地质条件、政策处理、环境保护、投资、工程安全等方面的对比分析，综合考虑将引水堰坝由传统的重力式坝型优化为L型布置重力坝。

3 稳定计算

3.1 结构稳定计算

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)中抗剪断强度计算公式[4]，即

K`=(f`∑W+C`A)/∑P

(1)

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)中应力计算公式[5]，即

(2)

计算结果(表3和表4)表明，在各种计算情况下，坝体最大基底应力满足不大于地基允许承载力550 kPa，坝体基底不出现拉应力，抗滑稳定安全系数各工况均满足要求。

表3 非溢流坝段稳定应力计算成果表

表4 溢流坝段稳定应力计算成果表

3.2 水力学计算

1) 泄流能力计算

根据《溢洪道设计规范》(SL 253-2018)中开敞式幂曲线实用堰的泄流能力计算公式[6]，即

(3)

(4)

σs=H+v2/2g

(5)

经溢洪道泄流能力计算得表5，溢洪道设计和校核工况下泄流能力均满足河道调洪演算下泄流量725 m3/st和2 864 m3/s要求[6]。

表5 溢洪道泄流能力计算表

2) 消能防冲计算

根据《溢洪道设计规范》(SL 253-2018)式A.6.1-1～3和A.6.3-1～3。式(6)—式(11)中,水跃淹没度σ取1.05;消力池出口段流速系φ取0.95；消力池尾部出口水面跌落ΔZ单位为m。表6为溢洪道效能防冲能力计算表。计算结果表明，本工程实际取用池长为23.4 m，池深为1.6 m，满足要求。

表6 溢洪道消能防冲能力计算表

(6)

(7)

d=σh2-h1-ΔZ

(8)

(9)

L=6.9(h2-h1)

(10)

Lk=0.8L

(11)

4 结 论

针对实际工程需要，通过对L型布置的重力坝优化设计方案进行计算分析，可以得到如下基本结论：

1) 坝址和坝型选择是水利水电工程建设中复杂、多因素影响的系统工程问题，需要全面综合考虑利弊得失。

2) 通过综合对比分析，龙泉市瑞垟引水一期工程引水堰坝优化为L型布置重力坝，在功能上完全满足设计要求，是完全可行的。

3)L型布置重力坝创造性地将左岸部分坝体改向上游，一次性解决了公路改线、过多永久占用基本农田、山体大开挖等工程建设过程中存在的突出问题。

4) L型布置重力坝已经在龙泉市瑞垟引水一期引水工程中建设完成并投入使用，可为当前和今后城乡安全饮用水工程，尤其是水源地工程建设设计提供参考。