凤冈惠民水库混凝土砌石重力坝设计分析

张周亮

(江西省水投工程咨询集团有限公司，江西 南昌 330096)

1 工程概况

凤冈惠民水库位于宜黄县凤冈镇，距县城8.0 km，坝址以上控制流域面积17.7 km2，水库总库容563.3万m3，是一座以灌溉为主，兼顾供水等综合利用的小(1)型水库。

宜黄县位于江西省中部偏东、抚州市南部，是全国烟叶生产重点县，项目区现无蓄水型水源工程，居民及附近群众生活用水仍然是通过就近钻井取水及从河沟提取，水源未经净化消毒处理，水质存在隐患，严重影响人们的正常生活，危害居民的身体健康。新建水源工程后，可有效发挥调丰补枯作用解决区域内的农业及生活用水问题，对促进农民增产增收、实现项目区农业经济可持续发展具有重要推动作用；是保障人们身体健康、满足人民群众不断增长的物质文化生活的需要，社会效益和环境效益显著。因此，建设宜黄县凤冈惠民水库水源工程是必要的。

通过对坝型的比选，工程最终选定C15混凝土砌石重力坝方案[1]，枢纽主要建筑物有：挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物等。

2 挡水建筑物设计

2.1 结构布置

非溢流坝布置在左右两岸，与岸坡相接。左岸坝长 66 m，右岸坝长76.4 m。左岸非溢流坝分3个坝段，具体为1#坝段长22 m(B0+000～B0+022)、2#坝段长22 m(B0+022～B0+044)、3#坝段长22 m(B0+044～B0+066)；右岸非溢流坝分3个坝段，具体为6#坝段长26.4 m(B0+103.6～B0+130)、7#坝段长25 m(B0+130～B0+155)、8#坝段长25 m(B0+155～B0+180)；溢流坝分2个坝段，具体为4#坝段长18 m(B0+066～B0+084)、5#坝段长19.6 m(B0+084～B0+103.6)。

非溢流坝段为混凝土砌石重力坝，坝顶高程为149.20 m，坝顶宽度为4.0 m，坝底宽33.90 m，最大坝高45.2 m。上游坝面折坡点在高程130.00 m，以上为铅直面，以下坡比为1∶0.15；下游坝面折坡点高程146.00 m，以上为铅直面，以下坡比为1∶0.75。坝顶两侧设置1.1 m 高栏杆，坝顶C25混凝土路面厚0.2 m。坝体底部设0.5～2.0 m厚C15混凝土垫层。坝上游面设C25混凝土防渗面板，抗渗标号W6，面板厚0.5～1.2 m，面板沿坝轴线方向与坝体分缝一致，缝宽15 mm，用沥青杉板填充，1.5 mm厚紫铜片止水，表面配置Φ12 mm温度钢筋，纵横间距0.20 m。

大坝靠上游侧底设置灌浆排水廊道，廊道高程在112.00～135.20 m之间，廊道尺寸为2.5 m×3.5 m城门洞形，为混凝土衬砌结构。

2.2 非溢流坝稳定及应力计算

(1)稳定计算。设计洪水标准为50年一遇，相应设计洪水位为147.70 m，相应下游水位为111.97 m；校核洪水标准为500年一遇，相应校核洪水位为148.20 m，相应下游水位为112.45 m，大坝稳定分析以上述洪水标准进行稳定计算。计算结果见表1。

表1 非溢流坝段(3#、6#)抗滑稳定安全系数计算成果

从抗滑稳定安全系数计算成果表可看出，重力坝各计算截面在各种组合工况下，其抗滑稳定安全系数均能满足规范要求[2]。

(2)坝基应力计算。大坝应力计算按《砌石坝设计规范》(SL 25—2006)规定，采用材料力学方法进行，大坝属中坝范围，按规范要求，可只计算坝基截面上游点A和下游B的应力。 计算结果见表2。

表2 非溢流坝段(3#、6#)坝基截面A、B两点应力计算结果 kPa

按规范SL 25—2006坝体垂直正应力要求：计入扬压力和不计扬压力两种情况时，坝基面正应力均小于砌体容许压应力；计入扬压力情况时，坝基面最小垂直正应力为压应力。设计大坝混凝土砌石体标号>40 MPa，依据规范SL 25—2006得，砌石体容许压应力为5.5 MPa。

从计算结果可以看出，各截面的垂直正应力均为压应力，且压应力值远远小于砌体允许压应力及地基允许应力，满足规范要求。

2.3 其余非溢流坝段稳定及应力计算

(1)抗滑稳定安全系数计算。成果见表3。从抗滑稳定安全系数计算成果表可看出，各溢流坝段在各种组合工况下，其抗滑稳定安全系数均能满足规范要求。

(2)各截面上、下游边缘应力(即A、B两点应力)计算。结果见表4。

表3 其余非溢流坝段抗滑稳定安全系数计算成果

表4 其余非溢流坝段坝基截面A、B两点应力计算结果 kPa

从计算结果可以看出，各截面的垂直正应力均为压应力，且压应力值远远小于砌体允许压应力及地基允许应力，满足规范要求。

3 泄水建筑物设计

3.1 结构布置

泄水建筑物采用坝顶表孔开敞式泄流方式，溢流坝段布置在大坝河床段，溢流段净宽36 m，堰顶高程146.00 m。溢流面由顶部曲线段、中间直线段、下部反弧段组成，顶部曲线段与直线段、直线段与反弧段均相切[3]。顶部曲线为WES曲线，堰顶上游为1/4椭圆，椭圆方程为(X/0.58)2+[(0.33-Y)/0.33]2=1。堰顶下游段为WES曲线，堰顶最大水头2.2 m，设计定型水头采用2.0 m，WES曲线方程为：y=0.2774x1.85。

溢流坝出口采用挑流消能方式，鼻坎宽36 m，鼻坎顶高程114.48 m，挑角20°，反弧半径8.0 m，堰顶至鼻坎顶高差31.52 m[4]。

堰面为80 cm厚C30混凝土，混凝土表面配温度构造筋。堰顶下游设交通桥，为现浇板梁式结构，总长36.6 m，分三跨，每跨长度12.2 m，桥面宽4.0 m，板厚0.2 m，底下设三根主梁，断面为0.35 m×1.0 m，间隔5.65 m设次梁，断面为0.3 m×0.8 m。交通桥坐落于桥墩上，桥墩支撑于堰面上，厚度0.8 m，顺水流方向长1.8 m。

3.2 稳定及应力计算

(1)稳定计算。考虑到4#坝段与5#坝段对称，本次选取4#坝段作为典型断面进行稳定计算。计算结果见表5。

从抗滑稳定安全系数计算成果表可看出，重力坝各计算截面在各种组合工况下，其抗滑稳定安全系数均能满足规范要求。

表5 溢流坝段抗滑稳定安全系数计算成果

(2)坝基应力复核。 各截面上、下游边缘应力，即A、B两点应计算结果见表6。

从计算结果可以看出，各截面的垂直正应力均为压应力，且压应力值远远小于砌体允许压应力及地基允许应力，满足规范要求。

4 引水建筑物设计

引水建筑物主要为灌溉兼供水管、放空管等。

4.1 灌溉兼供水管结构布置

(1)结构布置。为满足下游现有农田、烟田等共0.05万hm2灌溉需求，同时兼顾水库下游共1.2万农村居民的供水需求，在大坝左侧非溢流坝坝内布设供水管道，管中心线均垂直坝轴线(桩号B0+055.5)，管道进口底板高程均为116.00 m，坝内管长为30.6 m，管径为φ90 cm，管身采用12 mm 厚Q235钢板，管外为60 cm厚C25钢筋混凝土结构。

表6 溢流坝段坝基截面A、B两点应力计算结果 kPa

为保证供水的水质及灌溉取水对水温的要求，拟取近表层水，因此供水管进口采用塔式分层取水的布置方式。在进水塔的116.00 m、126.00 m及136.0 m高程处各布置一个1.0 m×1.0 m(长×宽)的进水口，根据水库水位变化进行分层取近表层水。在每个分层取水孔口各设一道取水工作闸门，取水口为圆形喇叭口，半径50 cm。进水塔尺寸为6.0 m×9.1 m(长×宽)，闸门检修平台高程为149.20 m，启闭平台高程153.20 m，设启闭房以便管理运行。

为保证现有农田灌溉供水及补充下游生态基流，需另外布设专用管路。经测算，灌溉需水量为0.594 m3/s，供水需水量为0.023 m3/s，生态基流量为0.0578 m3/s。取管内流速约2 m/s，则选择内径900 mm，壁厚12 mm的钢管承担补充基流及引水灌溉的任务。设计在供水引水管闸阀室后钢管上接引供水钢管及灌溉引水管，设闸阀控制放水。

(2)水力计算。经计算，当库水位降到死水位118.00 m时，钢管最大过流为1.792 m3/s，大于灌溉、供水及生态基流的总和0.6748 m3/s，故内径900 mm的钢管可以满足下游引水要求[5]。

4.2 放空管结构布置

放空管布置在大坝左侧非溢流坝段(桩号B0+062.4)，主要起放空库水位，兼顾补充下游生态基流作用，同时施工期间可用于导流。进口底板高程按112.00 m，孔中心垂直坝轴线布置。孔内径为φ120 cm，孔身采用12 mm厚Q235钢板内衬，管外为60 cm厚C25钢筋混凝土结构，进口为圆形喇叭口，半径50 cm。进口设事故检修闸门一扇，出口采用闸阀控制，闸门检修平台高程为149.20 m，启闭平台高程153.20 m，设启闭房以便管理运行。

5 结 语

混凝土砌石重力坝具有投资低、施工工艺简单、施工质量易控制、施工进度快等优势，且工程区附近石料储藏丰富，开采方便，石料质量较好，适宜建造各种砌石坝，混凝土砌石重力坝使坝体的均匀性、密实度和防渗性能以及允许应力指标等均较浆砌石大为提高，故凤冈惠民水库水源工程采用混凝土砌石重力坝坝型。

为确保大坝施工期及运行期的安全，文章对大坝挡水建筑物、泄水建筑物以及引水建筑物等结构均进行了详细的复核计算，计算结果均满足规范要求，为工程的安全施工及后期安全运行奠定了扎实的基础，值得借鉴与参考。