碧湖水库混凝土重力坝设计

李 明

(江西省水利水电开发有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程概况

碧湖水库位于萍乡市湘东区白竺乡会双村境内，洞庭湖水系湘江一级支流渌水支流麻山水中游河段。坝址控制流域面积164 km2，多年平均径流量1.565亿m3。水库正常蓄水位184.00 m，死水位160.00 m， 50年一遇设计洪水位184.27 m，500年一遇校核洪水位186.60 m；水库总库容2178×104m3；是一座以城镇供水、灌溉为主，兼顾发电等综合利用效益的中型水库。

工程建成后：每年可向萍乡市主城区、湘东区提供4530×104m3清洁饮用水源，解决远期萍乡市主城区、湘东区城区、水库下游乡镇的生活及部分水质要求较高企业的用水需求，从而为湘东区城市建设和国民经济持续发展提供清洁优质的供水水源，使城市居民的生活用水质量得到有效改善，人民群众的健康水平得到明显提高；作为灌溉水源，可改善坝址下游两岸的源并石灌区0.15万hm2农田灌溉，灌溉保证率可由60%～70%提高到85%；同时，碧湖水库水力发电，对于节能减排具有重要意义。

2 工程总体布置

设计采用坝型为混凝土重力坝，消能采用挑流消能方式，发电、灌溉引水采用现有隧洞输水，坝上新建供水取水口。

大坝左岸较右岸陡，现状没有交通，右岸坝址下游230 m以下段为相对平坦开阔地，已布置有原碧湖水电站厂房、供水管线及进场简易道路，因此，原碧湖水电站厂房保留，考虑投资及水库运行管理，碧湖水电站现状引水隧洞保留，坝上新建供水取水口；溢流坝段布置于大坝中间，非溢流坝段布置在溢流坝两侧，取水口位于大坝右岸，中心线桩号为坝横0+131.00；上坝公路布置在大坝上游右岸，与进场道路连接；水库管理区布置在大坝右岸。

本枢纽工程主要由混凝土重力坝、坝上取水口、消能等建筑物组成，坝轴线长191.5 m，从左至右依次布置有：左岸非溢流坝段(长92.5 m)、溢流坝段(长34.0 m)、右岸非溢流坝段(长65.0 m)。供水取水口布置于大坝右岸坝段，中心线桩号为坝横0+131.0 m。溢流坝采用挑流消能，灌溉利用发电尾水。

3 大坝基本剖面设计

3.1 非溢流坝段

非溢流坝段坝顶高程为187.5 m，大坝基础最低开挖高程为127.0 m，最大坝高60.5 m，坝顶宽度取7.0 m，坝体最大底宽51.83 m，坝体上、下游均设置齿槽。坝上游面151.0 m高程以上采用垂直坡，151.0 m高程以下采用1∶0.2的边坡，坝下游面179.5 m高程以上采用垂直坡，179.5 m高程以下采用1∶0.75的边坡。非溢流坝段按9.0～19.5 m设置一横缝，缝间设铜片及橡胶止水。坝内设有基础灌浆排水廊道，基础灌浆排水廊道为城门洞型，断面尺寸2.5 m×3.5 m(宽×高)，左右两侧分别设置交通廊道，出口设置在大坝下游靠岸坡处。

非溢流大坝上游面采用C9020W6混凝土防渗层，防渗层厚3.0 m，上游防渗层后采用C9015W4混凝土，下游临水面采用C9020W6，厚3.0 m，堰体基底采用C9020W6，厚3.0 m。

3.2 溢流坝段

溢流坝段桩号范围为0+092.5～0+126.5，坐落于微风化岩石上，垂直水流方向长34.0 m，顺水流长56.5 m，溢流总净宽27.0 m，共设3孔，单孔溢流净宽9.0 m。溢流坝基底高程127.0 m，堰顶高程178.0 m，闸墩顶高程187.5 m，最大坝高60.5 m，中墩厚2.0 m，边墩厚1.5 m，闸顶布置液压启闭机房，闸底板内布置灌浆排水廊道。溢流坝工作门采用弧形钢闸门，要求局部开启、动水启闭。

溢流坝堰面采用WES曲线，按幂曲线y=0.0878X1.85与下游1∶0.75坝坡相接，溢流堰原点上游用三圆弧与上游坝面相接。

溢流坝消能采用挑流消能方式，主坝溢流面与下游挑流鼻坎连接，挑流鼻坎高程为144.38 m，挑角18°，反弧半径为18 m，将水流消能后挑射至下游河床。下游护坦长30 m，底板高程132.50 m，底板混凝土厚度0.8 m，护坦两侧设重力式挡墙，护坦底板设φ70排水管，梅花形布置。

溢流坝灌浆排水廊道下游设渗漏集水井，集水井设置2台WQ2210-417型自耦式安装的潜水排污泵抽排廊道内渗漏积水，灌浆排水廊道为城门洞型，底高程为135.00 m，断面尺寸2.5 m×3.5 m(宽×高)，渗漏集水井断面尺寸2.5 m×3.5 m(宽×高)。

溢流坝堰面采用C40W6混凝土防冲耐磨层，厚2.0 m，堰体上游面采用C9020W6混凝土防渗层，防渗层厚3.0 m，上游防渗层后采用C9015W4混凝土，堰体基底采用C9020W6，厚3.0 m，闸墩混凝土采用C25W6，护坦混凝土采用C25W6。

4 坝基基础处理

(1)坝基开挖支护及地质缺陷处理。坝基开挖深度及形状根据基岩等高线初步拟定，并根据枢纽布置和具体建筑物的设计要求加以调整修正。河床坝段，坝高60.5 m，根据岩体风化特性及物理力学参数，大坝主要选取弱风化下部及微风化层作为坝基持力层，仅左、右坝头选取弱风化上部层作为持力层，河床开挖深度约7 m；岸坡坝段挖成台阶状，随着坝高的不断降低，利用基岩的标准也可逐渐下降，两岸水平开挖深度在11～21 m。坝基开挖约10 m高差设置一开挖平台(马道)，平台宽度不小于2 m。坝基开挖顺序为先上部后下部，先岸坡后河床，自上而下分层分台阶开挖，为防止坝基岩石风化，主坝基开挖施工过程中应预留保护层，做好基坑防护。

大坝建基面上出露的断层F4、F5，为提高断层带的强度使其与周围基岩相接近，减少坝体应力集中和不均匀沉陷等，需对断层作加固处理。F4、F5断层规模小，宽仅0.6～0.7 m，处理方法考虑沿断层带做梯形混凝土塞，开挖宽度取断层影响带宽度再扩大1 m，混凝土塞的深度取1.0 m，且在断层影响范围内加大固结灌浆处理范围。

(2)固结灌浆。为改善地基的均匀性，增强整体性，提高基础承载能力，减小基础压缩变形等，需对坝基进行固结灌浆，固结灌浆孔距、排距均为4 m，孔深深入基岩6 m。固结灌浆在混凝土盖板浇筑后进行。

(3)帷幕灌浆。坝基岩体属中等～弱透水性，局部呈微透水性，左岸相对不透水层埋藏深度较浅，右岸则较深厚，坝基存在渗漏问题，两岸山坡地下水位均低于正常蓄水位，坝基表层存在中等透水层。为了减少坝基渗漏和绕坝渗漏，需对坝基、坝肩进行帷幕灌浆[1]。

本工程大坝坝高为60.5 m，为中坝，坝高在50～100 m之间，帷幕防渗标准按q=3～5 Lu控制，因坝高接近50 m，故防渗标准按5 Lu进行控制。帷幕底端进入相对隔水层(岩石透水率q<5 Lu)以下5 m为下限控制深度。防渗帷幕深入岸坡一定长度并与河床部位的帷幕保持连续性，左岸延伸到相对隔水层与正常蓄水位相交之处，右岸延伸50 m。防渗帷幕为单排，孔距2.0 m，孔深伸入相对隔水层界限5 m。

(4)排水。为了进一步降低混凝土坝坝底渗透压力，在帷幕灌浆廊道的下游设置一排排水孔，孔距为3 m，孔径50 mm，孔深按帷幕深度的50%考虑。排水孔设在基础灌浆廊道内。

5 设计计算

5.1 坝顶高程的确定

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)和《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)规定，坝顶高程应不低于校核洪水位。坝顶高程=水库静水位+△h，△h由式(1)计算确定，选择计算所得坝顶高程最大值作为最终选定的坝顶高程[2]。

△h=h1%+hz+hc

(1)

式中：△h为坝顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h1%为波高，m；hz为波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m；hc为安全超高，本工程坝的安全级别为3级，正常蓄水位和校核洪水位下分别取0.4 m和0.3 m。计算结果见表1。

表1 混凝土重力坝坝顶高程计算成果

根据以上计算成果，坝顶高程以校核洪水位加坝顶超高为最大值187.49 m，本阶段取坝顶高程187.50 m。

5.2 大坝稳定及应力计算

5.2.1 非溢流坝段

非溢流坝为混凝土重力坝，河床坝段坐落在微风化的板岩上，坝高60.5 m，左右岸坝头部分坐落在弱风化岩体上，坝高26.5 m，本次非溢流坝稳定计算断面分别选取最大坝高断面及地质条件较差断面。

本工程为Ⅲ等工程，大坝为3级建筑物，根据规范SL 319—2018公式进行重力坝应力和稳定计算，取单位宽度的混凝土重力坝段进行计算，扬压力按重力坝设计规范计算，重力坝基础进行帷幕灌浆，设有排水，扬压力折减系数α值取0.25。

计算工况及荷载组合见表2。

表2 计算工况及荷载组合

坝体稳定和坝基应力计算成果见表3，表4。

表3 溢流坝(最大坝高)稳定和地基应力计算成果

表4 溢流坝(地质条件较差)稳定和地基应力计算成果

从计算结果可知，非溢流坝段抗滑稳定安全系数大于规范要求安全系数，故抗滑稳定满足要求，在各种荷载组合下，坝踵垂直应力未出现拉应力，坝趾垂直应力小于坝基容许压应力([σ]=1.5或0.8 MPa)坝基应力也满足要求。

5.2.2 溢流坝段

溢流坝坐落在微风化的板岩上，坝高60.5 m，稳定及应力计算结果见表5。

表5 流坝稳定和地基应力计算成果

从计算结果可知，溢流坝段抗滑稳定安全系数大于规范要求安全系数，故溢流坝段抗滑稳定满足规范要求，在各种荷载组合下，坝踵垂直应力未出现拉应力，坝趾垂直应力小于坝基容许压应力([σ]=2.0 MPa)坝基应力也满足要求。

5.3 水力计算

5.3.1 挑流消能计算

溢流坝采用挑流消能，消能防冲按4级建筑物设计，采用30年一遇洪水标准，下泄流量790 m3/s，并验算在校核洪水位(下泄流量1400 m3/s)、设计洪水位(下泄流量876 m3/s)的消能情况，计算采用下列公式(2)～公式(4)[3]。

L=

(2)

(3)

h1=h/cosθ

(4)

式中：L为水舌抛距，m；v1为坎顶水面流速，m/s；θ为鼻坎的挑角，取θ=18°；h1为坎顶竖直方向水深，m；h2为坎顶至河床面高差，m；v为坎顶平均流速，m/s；φ为堰面流速系数，取0.96;H0为水库水位至坎顶的落差，m；h为坎顶平均水深，m。

5.3.2 冲坑水垫厚度计算

最大冲坑处水垫厚度按下式(5)进行计算：

tk=kq0.5H0.25

(5)

式中：tk为最大冲坑水垫厚度，m；k为基岩特性影响系数，取1.10；q为泄水建筑物出口断面的单宽流量，m3/(s·m)；H为上、下游水位差，m。

溢流坝各种洪水频率流量及消能特性见表6。

表6 同洪水频率溢流坝消能特性

从表6看出，冲刷坑不会危及大坝的安全。

6 结 语

文章以碧湖水库混凝土重力坝设计为例，阐述了混凝土重力坝设计的思路和方法，并对设计过程中的关键环节，包括大坝基本剖面设计、坝基基础处理、大坝稳定及应力复核计算、消能计算等均进行了详细的分析研究，可为类似重力坝工程设计提供参考。