万坝水库主库混凝土面板堆石坝枢纽布置及结构设计

乔 双

（贵州中水建设管理股份有限公司，贵州 贵阳 550002）

1 工程概况

贵州万坝水库位于德江县沙溪乡北东侧小沟组、黄泥溪组上游，为马蹄河左岸支流，属长江流域乌江水系。水库距德江县约26 km，距沙溪乡约5 km。工程任务为承担德江县沙溪乡乡镇、农村人畜饮水及灌溉供水。工程等别为Ⅳ等，工程规模属小（1）型，水库总库容113.6万m3，可供水量为97.3万m3，具有多年调节性能。主库大坝枢纽建筑物有混凝土面板堆石坝、右岸岸边开敞式溢洪道、库区连通隧洞、坝身取水兼放空设施、提水泵站、上水管、高位水池、输水管道及相关附属设施等。

2 工程地质条件及坝型比选

2.1 工程地质条件

万坝水库由新建主库、副库组成，两库中部仅有一山脊相隔，库坝区出露地层一致，无构造发育，岩层产状一致。两库区工程地质条件及水文地质条件相当。主库河流为小沟河，副库河流为黄泥溪河，均为马蹄河左岸支流，属长江流域乌江水系。主库坝址区位于小沟组上游，河流流向为北西向，坝址段河谷为基本对称“V”字型谷。左岸地形坡度30～45°，右岸1 185 m高程以下地形坡度为30～45°，1 185 m高程以上地形坡度为0～15°，两岸坡面均为林地。河床地形平缓，宽26～40 m，河流亦平缓，无深大跌坎发育，河床均为耕地（水田）。主库出露地层为志留系中上统韩家店群（S2-3hn）、第四系（Q）。坝址区岩体较完整，岩层呈单斜产出，岩层产状一致，为N20°～35°E/NW∠40°～55°，总体倾向下游，坝址区未见大的地质构造形迹。坝址区物理地质现象主要为岩体风化卸荷。主库左岸覆盖层厚0～3 m，强风化层厚4～8 m，弱风化层厚5～9 m；右岸覆盖层厚0～3 m，强风化层厚5～9 m，弱风化层厚5～9 m；河床覆盖层厚8～14 m，强风化层厚1～3 m，弱风化层厚1～3 m。主库坝址区为（S2-3hn）碎屑岩地层，属相对隔水层，地下水类型为基岩裂隙水。坝址区强风化层岩体透水率大，多为注水；弱风化层岩体较完整，一般小于5 Lu，但局部地段裂隙切割较深，地下水位以上局部沿裂隙渗漏，透水率＞5 Lu；微新岩体节理少量发育，多闭合，岩体透水率均小于5 Lu，一般小于3 Lu。

2.2 坝型适宜性分析

主库坝基地层岩性均为志留系中上统韩家店群（S2-3hn）：灰绿、紫红色薄至中厚层粉砂质泥岩、泥岩、页岩，属软岩。坝基岩石物理力学指标参数较低，而刚性坝对岩体承载力要求较高，坝基岩体承载力不具备建刚性坝条件，只适宜建柔性坝。坝址区河床覆盖层厚度大（10~16 m）且不能作为基础持力层，坝基开挖须清除河床覆盖层，而均质土坝坝体坡度可达1∶2，坝基开挖量大于堆石坝（坝坡陡于土坝坝坡）。而坝址区下游大坪上村冲沟对岸，与主坝直线距离约730 m，与副坝直线距离约580 m处石料场满足修建堆石坝要求。结合地质勘察成果，混凝土面板堆石坝和碾压式沥青混凝土心墙坝2种坝型进行比较，优选与工程实际匹配性更佳的坝型。

（1）地形、地质条件：主库坝址区岩体较完整，岩层呈单斜产出，岩层产状一致，为N20°~35°E/NW∠40°~55°，总体倾向下游，坝址区未见大的地质构造形迹。两库坝址区出露地层相同，出露地层为志留系中上统韩家店群（S2-3hn）、第四系（Q）。河谷两岸均为软至较软岩地层，弱风化下部岩体呈层状结构，无贯穿性结构面，岩体较完整，但强度较低，抗变形能力较差，面板堆石坝虽然受到一定的地形限制，但影响不大，大坝枢纽均可布置。从坝址的地形、地质条件看，2种坝型均可行。

（2）枢纽布置：面板坝和心墙坝都是土石坝，但面板坝枢纽布置相对于心墙坝更紧凑，占地面积小且便于管理，面板坝枢纽布置较优。

（3）投资经济效益：面板坝方案首部枢纽投资4 869.68万元，心墙坝方案首部枢纽投资5 089.20万元，心墙坝方案较面板坝多219.52万元，面板坝方案优。

沥青混凝土心墙坝与面板坝相比，心墙摊铺施工相对简单，且易于适应低温施工，但施工与坝体施工存在干扰。面板坝方案较心墙坝方案省219.52万元，面板坝方案明显优于心墙坝。对于中、底坝的建设，混凝土面板堆石坝技术条件相对心墙坝更加成熟[1-2]。因此，从技术经济条件比较，混凝土面板坝方案优于沥青混凝土心墙坝，设计采用面板堆石坝方案。

3 主库面板坝枢纽布置

万坝水库主库面板坝首部枢纽主要建筑物包括挡水面板坝、岸坡式溢洪道、左岸取水兼放空管等。

3.1 挡水建筑物

主库拦河坝坝型为混凝土面板堆石坝，大坝上、下游坝坡均为1∶1.4，大坝从上游至下游设置混凝土防渗面板+垫层区+过渡区+堆石区+大块石护脚。主库坝轴线方位角坝轴线S50°52'42"W，坝轴线长度91.11 m，坝顶高程1 174.20 m，防浪墙高程1 175.40 m，河床趾板建基面高程1 141.50 m，最大坝高32.7 m，坝顶宽3.7 m，最大坝底宽106.90 m。

3.2 泄洪建筑物

岸坡式溢洪道布置在主库大坝右岸，由进水渠、溢流堰、泄槽、消力池及尾水渠组成。引渠段长约28.2 m，底板高程1 171.00 m；溢流堰顶高程1 173.00 m，不设置闸门，为开敞式溢洪道。堰顶上游面采用直壁，上游堰头采用一段椭圆弧曲线，下游堰面曲线为WES曲线，堰下游接泄槽段。泄槽为矩形明渠，净宽8.0 m，边墙高1.5 m，为衡重式挡墙，底板厚0.5 m，按坡降不同分为2段，第1段坡比为1∶8，水平长度31.42 m，第2段坡比为1∶1.25，水平长度16.42 m，第1段和第2段以抛物线相接，第2段末端通过圆弧接消力池底板，反弧半径r=1.5 m，消力池底板高程1 151.00 m，消力池尾坎高程1 152.00 m，宽度1 m，消力池边墙高3.5 m，墙顶高程1 154.50 m。尾水渠为梯形明渠，边墙高1.5 m，为贴坡式边墙，坡比为1∶1，底宽8.0 m，底板厚0.5 m，按坡降不同分为2段，第1段坡比为1∶4.827，水平长度9.62 m，第2段坡比为i=1.2‰，水平长度52.83 m，末端底板高程1 149.94 m。

3.3 取水兼泄洪放空管

万坝水库主库设计取水流量为0.057 13 m3/s，取水兼放空管布置于主坝右岸，位于坝0+063.29桩号处，结合施工导流布置，引水管由导流管改造而成，采用C25钢筋混凝土外包，兼有取水、放空、下放环境水的功能。取水口为岸塔式，进口底板高程为1 158.50 m，比淤沙高程1 155.41 m高3.09 m；进水口顶部高程1 159.80 m，比死水位1 163.00 m低3.2 m。进口塔段长6.6 m，顶宽4.8 m，顶部高程与大坝防浪墙顶高程相同，为1 175.40 m。从左坝肩顺着新建公路通至取水塔上启闭机室，启闭机室与公路通过交通桥连接。

4 大坝结构设计

4.1 坝顶高程

万坝水库主库为面板堆石坝，根据SL189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》、SL274—2020《碾压式土石坝设计规范》，坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和[3-4]。经泄水建筑物比较及调洪计算得，水库的校核洪水位为1 174.09 m，设计洪水位为1 173.80 m，正常蓄水位1 173.00 m。工程区多年平均最大风速11.0 m/s；主库最大风区长度均为0.5 km，主库与坝轴线夹角为16.39°。主库坝顶高程计算成果见表1。

从表1可知，设计水位的防浪墙顶高程最高为1 175.38 m。因此，选定防浪墙顶高程为1 175.40 m，防浪墙高取1.2 m，相应坝顶高程为1 174.20 m，高于水库校核洪水位1 174.09 m。

表1 万坝水库主库坝顶高程计算成果

4.2 大坝结构布置

万坝水库主库堆石区地层为二叠系中统栖霞至茅口组（P2q-m）浅灰至深灰色厚层块状灰岩，岩体强度较高（饱和抗压强度大于40 MPa），属于硬岩。因此，根据《混凝土面板堆石坝设计规范》规定，上游坝坡采用1∶1.4，下游坝坡采用1∶1.4。大坝坝体结构为：上游防渗面板+垫层区+过渡区+堆石区+大块石护脚+下游块石护坡+块石护脚。大坝典型断面，如图1所示。

图1 主库面板堆石坝典型断面

万坝水库主库坝顶无交通要求，坝顶宽度取3.7 m。坝顶上游设悬臂式混凝土挡土墙形式防浪墙，防浪墙上游设0.8 m宽的检查平台，L型防浪墙厚0.5 m，高2.7 m，水平段长度3.2 m，墙底高程1 172.70 m，墙顶高程1 175.40 m，其中1.50 m埋入堆石体内。坝顶下游侧设混凝土挡墙，墙底高程1 172.70 m，墙顶高程1 174.20 m，墙顶处设置高为1.2 m的仿石栏杆。根据坝体填筑材料和分区情况，坝体填筑设计标准，见表2。

表2 坝体材料分区填筑参数表

4.3 坝基处理

在趾板与基岩接触部位，为了提高趾板基础的整体性，提高抗冲蚀能力，需进行固结灌浆，采用锚杆与基础连接[5-6]。固结灌浆孔共三排，排距2 m，孔距2 m，梅花型布置，孔深入基岩6 m。锚筋直径Φ25，单根长4.5 m，间、排距2 m，梅花形布置，预留0.4 m与趾板混凝土连接。

防渗帷幕为悬挂式，坝址区地层属相对隔水地层，两岸防渗边界接地下水位，并保证进入微新岩体；坝基防渗底界进入相对隔水层5～10 m（岩体透水率≤5 Lu）。河床段沿趾板中部布设帷幕灌浆，要求先作固结灌浆后作帷幕灌浆，左岸防渗帷幕线长约18.9 m，防渗帷幕面积330.6 m2；右岸帷幕线长约83.1 m，防渗帷幕面积1 067 m2；坝体防渗帷幕线长约152.8 m，防渗帷幕面积2 641.2 m2，总防渗面积4 038.8 m2。左右岸帷幕线均较短，采用地面灌浆方式。帷幕总进尺2 500 m，有效进尺1 880 m，无效进尺620 m。帷幕线为单排，灌浆孔按单排孔布置，坝体段孔距2 m，两岸孔距3 m。

5 结束语

万坝水库是贵州德江县解决沙溪乡乡镇、农村人畜饮水及灌溉供水为本土的骨干水源工程。坝址区地形地质条件较好，河流亦平缓，无深大跌坎发育，具备成库条件。为确保水库首部枢纽具有较高技术可行性和投资经济性，结合项目地形、地质、天然材料和施工等条件，主坝从坝型适应性、首部枢纽布置和投资经济效益等方面进行论证分析和优化调整，优选技术经济均较优的面板坝方案，并对方案枢纽布置及大坝结构进行了详细的设计，确保了工程高效优质的施工建设。