化乐水库大坝趾板基础设计方案比选

朱帅

（山西省临汾市水利勘测设计院，山西临汾，041000）

1 工程概况

化乐水库位于山西省临汾市蒲县黑龙关镇峡村东2 km处的昕水河南源上，水库距蒲县县城19 km，总库容567.8万m3。大坝为混凝土面板堆石坝，主要建筑物为大坝、溢洪道、泄洪排沙洞。最大坝高44.5 m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.4，面板为C25钢筋混凝土结构，厚40 cm，坝址以上控制流域面积186.2 km2。工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。水库设计洪水标准为重现期30年，校核洪水标准为重现期300年，抗震设防烈度为Ⅷ度。

2 大坝趾板基础设计方案比选

2.1 现状调查与分析

2.1.1 现状调查

经过实地踏勘，坝线所在的昕水河南源呈“S”形，坝轴线布于顺直段。河水流向为N30°W，其上游流向为N60°W，下游流向为S40°W。谷底宽75.8～82.6 m，其中河床宽46.4 m，地面高程1 103.83～1 106.70 m。河床左侧发育一级堆积阶地，阶面高出河床2.45～3.75 m，宽9.6～51.3 m，地形较平坦，地面高程为1 105.33～1 107.29 m，阶地堆积物具二元结构。左右两岸基岩大面积裸露，局部有洪、坡积物覆盖。左岸为凸岸，下部为碎石土土质岸坡，坡度30°～40°；上部为岩质岸坡，坡度下陡上缓，下部坡度55°～65°，上部坡度20°～30°，山顶高程1 296.5 m。河谷右岸为凹岸，岩质岸坡，坡度40°～70°，山顶高程1 228.5 m。河谷断面呈“U”形。

2.1.2 现状分析

从现状地形及地质条件看，坝基地层为第四系全新统冲洪积物：卵石混合土及级配不良砾，夹薄层低液限黏土；下伏寒武系上统凤山组：白云岩，不存在不利于坝基、坝肩稳定性的软弱结构面。

根据钻探资料，坝基分布的砂卵砾石夹薄层壤土和砂壤土厚20.85～21.65 m，作为坝基的三种地层，密实度相差较大，空间分布上有一定差异。因此在坝体填筑过程中和运行期，覆盖层将会产生较大的变形，可能会产生坝基不均匀沉陷，影响坝体安全。

根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》附录P.0.3，对于粒径小于5 mm颗粒含量质量百分率大于30%的土，其中粒径小于0.005 mm颗粒含量质量百分率（ρc）相应于地震动峰值加速度为0.20g不小于18%时，可判定为不液化。根据土工试验结果，化乐坝基透镜体ρc为23.9%，大于18%，判定为不液化。

勘察时取河床砂卵砾石进行了颗分和相对密度试验，其中卵石占61.95%，砾石23.48%，粗砂4.25%，中砂6.2%，细砂2.35%，粉砂1.78%。有效粒径d10为1.05 mm，中间粒径d30为12.38 mm，平均粒径d50为30.82 mm，界限粒径d60为54.15 mm，不均匀系数Cu为101.15，曲率系数Cc为1.16。最大干密度2.21 g/cm3，最小干密度1.84 g/cm3，密度2.11 g/cm3，含水量7.23%，相对密度0.73～0.76。

据SL 228—2013《混凝土面板堆石坝设计规范》，趾板下游0.3～0.5倍坝高范围内的坝体地基宜具备低压缩性。河床段趾板下游约32 m范围内覆盖层砂卵砾石挖至高程1 094 m，截断该范围内的透镜体，该范围内的黏土夹层全部挖除。河床覆盖层第一层黏土夹层埋深较浅，可全部挖除，挖至高程1 098 m，其余部位坝基仅清除表层2 m。岸坡段趾板下游其余部位坝基清除表层2 m覆盖层。

据SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》第6.3.6和6.3.7条，防渗帷幕的下限，3级及以下坝透水率宜为5～10 Lu，坝基下存在相对不透水层，且埋藏深度不大时，帷幕应深入该层至少5 m，水库相对不透水层按5 Lu控制。

2.2 大坝设计概述

大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶长213 m，坝顶高程1 142.5 m,最大坝高44.5 m，坝顶宽8 m。上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.4。

2.2.1 坝体填筑料情况

坝体自上游至下游依次分为混凝土面板（F）、垫层区（2A）、周边缝特殊垫层区（2B）、过渡层区（3A）、主堆石区（3B）、下游堆石区（3C）及下游干砌石护坡（3D）。

（1）垫层区（2A）：垫层料具有低压缩性、高抗剪强度、内部渗透稳定性和良好的施工特性。垫层区顶高程1 139.70 m，水平宽度3.0 m，石料最大粒径80 mm，小于5 mm的颗粒含量为35%～55%，小于0.075 mm的颗粒含量不超过8%，且级配连续。

（2）特殊垫层区（2B）：特殊垫层石料最大粒径40 mm，小于5 mm的颗粒含量为35%～55%，小于0.075 mm的颗粒含量不超过8%。

（3）过渡区（3A区）：要求采用新鲜的爆破料和洞挖料填筑，石料最大粒径300 mm，小于5 mm的颗粒含量不大于20%，小于0.075 mm的颗粒含量不超过6%，级配连续。

（4）主堆石区（3B）：石料最大粒径800 mm，小于5 mm的颗粒含量不大于20%，小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%。

（5）下游堆石区（3C）：石料最大粒径800 mm，小于5 mm的颗粒含量不大于20%，小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%。

（6）下游护坡区（3D）：下游坝面采用干砌石护坡，厚50 cm。

2.2.2 坝体稳定分析

化乐水库面板堆石坝属于Ⅳ级建筑物，根据SL 228—2013《混凝土面板堆石坝设计规范》要求进行相应的稳定计算。

根据SL 274—2020《碾压土石坝设计规范》的规定，本次共计算三种工况，分别是：（1）正常运用条件：库水位处于设计洪水位的稳定渗流期的上、下游坝坡；（2）非常运用条件Ⅰ：施工期；（3）非常运用条件Ⅱ：正常蓄水位遇地震的上、下游坝坡。

采用北京理正软件有限公司编制的《渗流计算分析软件》分析计算稳定渗流时的浸润线。

选取河床段的最大断面（0+096）进行上、下游坝坡计算，计算参数见表1。

表1 坝体和坝基材料强度指标Table 1 Intensity indexes of dam materials and foundation ma-terials

坝坡稳定按北京理正软件有限公司编制的理正岩土工程计算分析软件中的边坡稳定分析程序进行计算。计算结果见表2。

表2 坝坡稳定计算结果Table 2 Results of calculation of dam slope stability

由坝坡稳定计算结果可知，边坡的稳定安全系数均满足规范要求。

2.2.3 坝体和坝基沉降量

据现有资料，经初步计算：坝体沉降量为60 cm，坝基沉降量为18 cm，总沉降量为78 cm。据坝体应力变形的三维非线性有限元计算结果分析，坝体在施工期的最大沉降为34.1 cm，蓄水期之后坝体的最大沉降量增加很少，由34.1 cm增加至35.2 cm。

2.3 方案比选

根据现状分析初拟两种在技术上可行的方案。方案一：趾板基础建在基岩上，趾板下做帷幕灌浆防渗；方案二：趾板基础建在覆盖层上，坝基采用混凝土防渗墙加帷幕灌浆防渗。

2.3.1 工程造价

方案一：上游河床覆盖层全部挖除，最大坝高59.5 m，趾板直接置于基岩上，趾板下做帷幕灌浆防渗，趾板底部高程1 083.00 m，宽度4 m，厚度0.7 m。方案一设计断面见图1。

图1 方案一设计断面Fig.1 Design profile of scheme 1

方案二：为了减小河床开挖，类比同类工程的处理方式，将河床段趾板基础直接置于河床的覆盖层上，最大坝高44.5 m，趾板底部高程1 098.00 m，趾板宽4 m，厚0.7 m。由地质试验结果可知，覆盖层属于密实的不均匀的卵砾石混合土，岸坡段趾板位于两坝肩的弱风化层上，下部采用固结灌浆加固。

河床段坝基采用混凝土防渗墙+帷幕灌浆进行处理，防渗墙顶部用连接板与趾板连接，混凝土防渗墙厚1.2 m，最大深度12.2 m，岸坡段帷幕灌浆深度13.2～32.5 m。方案二设计断面见图2。

图2 方案二设计断面Fig.2 Design profile of scheme 2

方案一工程直接费7 154.35万元，方案二工程直接费5 991.14万元，方案一比方案二开挖量增加19.34万m3，工程直接费增加1 163.21万元。从工程造价比较，方案二优于方案一。

2.3.2 施工工期

方案一：由于趾板基础开挖，上游围堰前移，导致泄洪排沙洞进口前移，泄洪排沙洞加长从而延长工期。

方案二：泄洪排沙洞布置简化，长度较短，施工工期相对较短。

从施工工期比较，方案二优于方案一。

2.3.3 施工难度

方案一：覆盖层开挖工程量较大，施工围堰紧邻开挖趾板处，围堰高度较大，施工导流难度大。

方案二：坝基开挖工程量、上游围堰高度减小，采用大坝临时断面挡水度汛，简化施工导流。

从施工难度比较，方案二优于方案一。

综上所述，综合分析比较方案一和方案二的工程造价、施工工期、施工难度等方面，选取方案二作为大坝趾板基础设计方案。

3 结语

根据工程地形条件和地质构造，化乐水库大坝趾板基础设计拟定两种可行设计方案：方案一趾板基础建在基岩上，趾板下做帷幕灌浆防渗；方案二趾板基础建在覆盖层上，坝基采用混凝土防渗墙加帷幕灌浆防渗。

比较两种设计方案的工程造价、施工工期、施工难度等，最终选用方案二，趾板基础建在覆盖层上，坝基采用混凝土防渗墙加帷幕灌浆防渗。 ■