百把寨水库大坝坝址、坝型比选及设计要点分析

刘长隆

（福建省永川水利水电勘测设计院有限公司,福建 福州 350001）

1 工程概况

百把寨水库为新建水库枢纽工程,位于武平县永平镇杭背村大池自然村,距武平县中心城区约27.0 km。坝址以上流域面积21.08 km2,河长10.5 km,坡降14.6‰。百把寨水库拦河坝为C15 砼砌石重力坝,最大坝高为53.0 m,水库总库容1181万m3,属中型水库。百把寨水库枢纽工程开发任务以供水为主、兼顾防洪、灌溉[1]。枢纽工程主要建筑物包括拦河坝和引水系统（包含引水隧洞、输水管道和灌溉管道等）。本工程等别、建筑物级别及洪水标准见表1。

表1 百把寨水库工程等别、建筑物级别及洪水标准

2 坝址方案比选

本水库坝址宜选在两支流汇合口以下,杭背村风杵顶自然村（以下河道开阔,为村庄、永平镇区等）以上,而汇合口至风杵顶自然村适宜建坝有二处。

两处坝址坝型均采用砌石重力坝进行比较,在水资源利用、施工条件、施工工期、环境影响及水库建成后的运行条件基本相同,故坝址比选主要从地质条件、枢纽工程布置、水库淹没、主要工程量及经济指标等方面对上下坝址进行比选。上下坝址位置示意图见图1。

图1 上下坝址位置示意图

2.1 经济技术比较

上下坝址方案经济技术比较见表2。

表2 上下坝址工程方案比较表

2.2 坝址选择意见

从地质条件看,上坝址河谷宽度比较小,坝高较低；坝基主要岩性、建议开挖深度以及岩体防渗性能等方面上坝址方案也都更为优越,从地形地质条件分析,上坝址有利。

从布置上看,下坝址坝长较长,坝高较高,且下坝址左坝肩比较单薄,坝轴线在左岸往上游折。因此,上坝址布置较优。

从施工角度分析,上、下坝址施工条件、导流条件和施工总布置无明显区别。

从库区淹没范围,下坝址相对小一些。

从可比工程投资来看,上坝址方案投资为21090.64 万元,下坝址方案投资为22592.31 万元,因此,上坝址方案经济指标明显较好。

综合分析,两坝址施工、运行等条件相近,上坝址地形、地质、布置较优,工程投资比下坝址节省1501.67 万元,经济上优势较明显,故推荐上坝址为选定坝址[2]。

3 坝型方案比选

百把寨水库选定坝址位于大池溪、小池溪两支流汇合口下游峡谷中,坝址两岸呈基本对称“V”型,河床宽度6.0 m～7.0 m,较窄,两岸山体高程493.9 m～559.1 m,河床高程396.8 m～393.5 m,河谷基本对称顺直,左岸山体坡度32°～40°,右岸山体坡度38°～45°,河床散落孤石、砾石、卵石及少量中粗砂,可见大面积基岩裸露。无不良的地质,具备建坝基本条件。

3.1 拦河坝坝型初步筛选

由于工程区附近块石料储量丰富,而且质量较好、运距短,因此适宜建当地材料坝。砌石坝、土石坝属当地材料坝,是经验成熟、技术可靠、施工难度小的常用坝型,施工质量较易得到保证,因此,坝体材料选用砌石坝、堆石坝。综合考虑本工程推荐重力坝、拱坝和砼面板堆石坝三种坝型进行比较,各坝型主要轴线见图2。

图2 各坝型主要轴线图

3.2 各坝型方案布置

（1）砌石重力坝方案布置

砌石重力坝坝顶高程439.50 m,坝底高程386.50 m,最大坝高53.0 m,坝顶宽度4.0 m,坝底厚度39.625 m,坝顶轴线长178.0 m。左岸挡水坝段长102.50 m,右岸挡水坝段长66.00 m,溢流坝段长9.50 m。挡水坝段上游面垂直,下游面坡度为1∶0.75,折坡点高程为434.0 m。

大坝溢洪道设在河中,采用坝顶泄水闸控制泄洪,堰顶坝段宽9.50 m,溢洪道共设2 孔,每孔净宽3.0 m。

（2）砌石拱坝方案布置

砌石拱坝坝型为抛物线双曲拱坝,坝顶高程439.50 m,坝底高程385.50 m,最大坝高54.0 m。坝顶宽度4 m,拱冠梁底宽14.40 m,拱冠梁厚高比0.267,坝顶弧长223.83 m（其中左岸重力墩长30.0 m,左岸弧长87.968 m、溢流堰宽9.50 m、右岸长96.366 m）顶拱中心角91°。左岸重力墩采用C20 埋石砼结构。墩底高程417.50m,墩底面尺寸：长41.0 m,宽12.0 m～27.40 m；墩顶高程439.50m,墩顶面尺寸：长30.0 m,宽12.0 m。

大坝溢洪道设在河中,采用坝顶泄水闸控制泄洪,堰顶坝段宽9.50 m,溢洪道共设2 孔,每孔净宽3.0 m。

（3）混凝土面板堆石坝方案布置

混凝土面板堆石坝大坝正常蓄水位436.50 m,100 年一遇设计洪水位437.44 m,1000 年一遇校核洪水位437.95 m。大坝坝基最低高程391.50 m,砼趾板最低高程386.50 m,坝顶高程439.50 m,防浪墙顶高程440.70 m,最大坝高53.0 m。大坝下游面共分1 个马道,马道高程为415.50 m,马道宽度为2.0 m。大坝坝顶长度168.0 m,坝顶宽度5.0 m,坝底最大厚度143.80 m。大坝上游面坡度为1∶1.4,坝面为C25 砼面板,面板厚度为0.30 m～0.54 m。大坝下游面坡度为1∶1.35,干砌石护坡,护坡厚度0.5 m。坝体填筑材料分成垫层区、特殊垫层区、过渡区、主堆石区及下游次堆石区[3]。

溢洪道为河岸式溢洪道,布置在大坝左岸。溢洪道总宽度11.50 m,净宽6.0 m,溢流堰型为WES实用堰,堰顶高程433.50 m。

3.3 坝型比较与选择

重力坝、拱坝方案在工程布置、洪水标准、施工条件、运行维护管理方面占主要有一定优势；堆石坝方案在对地形地质条件的适应性、坝基处理方面占有一定优势,但堆石坝方案坝体更为庞大,河岸式溢洪道开挖较深；拱坝左岸坝肩基础开挖后存在明显的临空面,需左岸设置重力墩,确保稳定,左岸重力墩处的开挖边坡较高,上部为强风化及全风化岩体,岩体破碎,稳定性差,高边坡处理费用大。再从投资来看,重力坝比堆石坝节省了209.12 万元；重力坝比拱坝节省了11.52 万元,在经济方面重力坝方案略有优势[4]。

综上所述,经技术、经济、环境影响、运行管理等方面综合比较,本工程推荐砌石重力坝方案。

4 大坝设计要点分析

4.1 坝顶高程复核

根据《砌石坝设计规范》,按库水位计算重力坝坝顶高程,坝顶应高于校核洪水。经过计算,百把寨水库坝顶高程最终取439.50 m。

式中：Δh为坝顶距水库静水位高度；hb为波浪高,m；hz为波浪中心线至正常蓄水位或校核洪水位的高差,m；hc为安全超高,m。

计算结果见表3。

表3 重力坝段坝顶高程计算表

4.2 大坝结构设计

拦河坝采用C15 细石砼砌石重力坝,挡水建筑物正常蓄水位为436.50 m,设计洪水位为437.30 m,校核洪水位为437.77 m。坝顶高程439.50 m,坝底高程386.50 m,最大坝高53.0 m,坝顶宽度4.0 m,坝底厚度39.625 m,坝顶轴线长178.0m,上下游均设栏杆,栏杆高1.2 m[5]。

砌石重力坝由河中的溢流坝段和左右挡水坝段组成,左岸挡水坝段长102.50 m,右岸挡水坝段长66.00 m,溢流坝段长9.50 m。挡水坝段上游面垂直,下游面坡度为1∶0.75,折坡点高程为434.0 m[6]。

大坝溢洪道设在河中,采用坝顶泄水闸控制泄洪,堰顶坝段宽9.50 m,溢洪道共设2 孔,每孔净宽3 m,边墩宽1.0 m,中墩宽1.5 m。泄水闸工作门采用2 扇3 m×3 m（B×H）平板钢闸门,相应配2 台QPQ160 kN固定式卷扬机控制闸门启闭。本工程大坝溢流堰面采用WES实用堰,陡坡段坡度1∶0.75,曲线型式为：上游堰面为90°圆弧,半径为0.5 m,堰顶为平台长4.2 m。下游堰面曲线方程Y=0.159X1.850与直线相切,溢洪道末端反弧段半径为15 m,挑射角20°,鼻坎高程为399.51 m。溢流坝面为厚1.0 m的C25 钢筋砼,闸墩为C25 钢筋砼。溢洪道顶部设交通桥与两岸坝段连通,交通桥与坝顶同高程为439.50 m[7]。

砌石重力坝灌浆廊道布置离大坝上游面3 m,断面为2.5 m×3.5 m（B×H）城门洞型,廊道周围采用0.5 m厚C25 砼衬砌,灌浆廊道兼做坝基排水的排水廊道[8]。

坝体防渗主要靠自身砌筑质量来保证,坝体采用C15 细石混凝土砌毛石,上下游面采用一皮厚50 cm的M15 水泥砂浆砌C20 砼预制块并深勾缝。坝体基础采用1.0 m厚C15 混凝土垫层。溢流面混凝土采用C30,导流墙、闸墩等采用C25钢筋混凝土结构。坝体排水采用DN200 无砂混凝土排水管,通过坝面的渗水渗入排水管,再汇集至排水廊道后排出坝体,排水管间距3.0 m[9]。

5 大坝稳定性分析

5.1 大坝抗滑稳定复核及应力分析

5.1.1 计算方法

坝体强度和稳定计算按承载能力极限状态计算,坝体上、下游面拉应力计算按正常使用极限状态计算。按抗剪断公式计算坝基面的抗滑稳定安全系数[10]。

式中：∑W为坝基面法向作用标准值之和；∑P为坝基面切向作用标准值之和；A为坝基面的面积。

坝基应力采用材料力学公式：

式中：σ为坝基面垂直正应力；∑M为作用于坝段上或1 m坝长上全部荷载在坝基截面上法向力的总和；x为坝基截面上计算点到形心轴的距离；J为坝段或者1 m坝长的坝基截面寻形心轴的惯性矩；A为坝基接触面截面积[11]。

5.1.2 计算荷载组合

按照承载能力极限状态法,核算坝体强度和稳定时,应计算基本组合和偶然组合,计算采用的荷载组合为：①基本荷载组合：正常蓄水位+自重+扬压力+淤沙压力+浪压力+土压力+其他荷载；②基本荷载组合：设计洪水位+自重+扬压力+淤沙压力+浪压力+动水压力（泄洪时）+土压力+其他荷载；③特殊荷载组合：校核洪水位+自重+扬压力+淤沙压力+浪压力+动水压力（泄洪时）+土压力+其他荷载[12]。

5.1.3 计算成果分析

各种荷载组合坝体抗滑稳定安全系数及坝基面正应力结果见表4。

表4 坝段抗滑稳定及坝基面正应力成果表

根据计算结果分析,挡水坝段、溢流坝段工况①和②大坝抗滑稳定安全系数大于3.0,工况③大坝抗滑稳定安全系数大于2.5,因此坝体抗滑稳定安全满足规范要求；各工况应力计算成果,坝基压应力均小于砌体容许压应力和地基承载力≤1.5MPa的要求,坝趾、坝踵垂直应力未出现拉应力,因此坝体应力满足规范要求；计算结果表明坝体断面设计合理[13]。

5.2 侧向稳定分析

侧向稳定计算采用刚体极限平衡法,“等K（K '）值法”原理进行计算,即根据重力坝基础面变化情况分成若干计算坝块,每计算坝块间考虑存在一相互作用力,调整相互作用力的大小使各计算坝块抗滑稳定安全度相同,各计算坝块的作用效应函数及抗滑抗力函数累加即为整个坝段计算成果[14]。

计算公式：

（1）作用效应函数

（2）抗滑抗力函数

（3）抗滑稳定安全系数

式中：i为计算坝块编号,分5块；∑WRi为计算坝块断面上的全部垂直荷载（除扬压力）,kN；∑WPi为计算坝块断面上的全部向下游水平荷载,kN；∑WUi为计算坝块断面上的扬压力,kN；Qi为计算坝块间的相互作用力,kN,∑Qi=0；βi为计算坝块基础面倾角,（°）；ai为作用力与水平面的夹角,（°）,按偏安全考虑ai=0；ARi为计算坝块的断面面积,m2[15]。

百把寨水库大坝从左至右,按横缝位置分为1#坝段～6#坝段。经计算,各坝段稳定均满足要求,计算结果见表5。

表5 侧向稳定计算成果表

6 结语

经上述分析,确定百把寨水库工程坝址、坝型及基本结构,经过计算等分析说明大坝稳定及应力满足规范要求,表明坝体断面设计合理。