广东省圆洞水库工程中大坝工程设计研究.pdf

第11期2023年11月文章编号：16 7 3-9 0 0 0(2 0 2 3)11-0 150-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.11November,2023广东省圆洞水库工程中大坝工程设计研究陆明（广东河海工程咨询有限公司，广东广州510 6 30）摘要在当地社会经济发展和政府政策的大力支持下，尤其是作为县城的龙仙镇人口不断发展，当地居民日均用水量日益增加，缓解跃进水库工程负担，提高水资源利用率，是当前兴建园洞水库的首要任务。本次翁源县园洞水库工程主要解决翁源县城供水紧张问题，水库工程任务为城区供水。基于此，对该工程工程等别、建筑物级别和相应洪水标准进行描述，针对大坝工程方案设计中的坝型拟定、堰顶闸门选择、坝顶高程确定、坝基抗滑稳定、坝体侧向稳定、坝体材料分区等方面，进行分析和计算，可为圆洞水库工程中大坝工程设计提供了理论指导和实践经验。【关键词水库工程；大坝工程；坝型拟定；抗滑稳定；材料分区中图分类号TV698.23文献标识码B生态环境发展，翁源县过境水资源虽然充沛，但水质指标不0引言稳定，而生活用水和高品质工农业用水日益增加，水资源利水库工程在现代社会中具有重要的经济、社会和环境意用率的要求不断提高，跃进水库的供水量已不堪重负，迫切义。广东省作为中国南方发达地区之一，其水资源管理和利需要新的供水水源以适应和满足翁源县现实和未来工农业、用一直备受关注。圆洞水库工程中，大坝工程设计起着至关人口与城镇发展的迫切要求。重要的作用，作为水库工程的核心部分，承担着调节水量、2大坝工程方案设计防洪、供水和发电等功能。目前翁源县其他水库或因启动设计复查及除险加固设计，或因工程历时较长，供水完工后日渐不能满足城区供水需求，县政府及相关群众饱受其扰；另一方面，考虑翁源县城周边水源，园洞水为城区供水的最优解。因此通过本文深人探讨，可以为圆洞水库大坝工程设计提供科学的理论依据和实践指导，促进工程的安全可靠运行，提高水资源利用效率，为广东省的经济社会发展和生态环境保护做出贡献，也可为类似水库工程的设计和管理提供借鉴和参考。1项目概况园洞水库是一座以供水为主、兼有灌溉功能的IV等小（1）型水利工程，位于广东省韶关市翁源县龙仙镇东南方的园洞水流域上，园洞水是龙仙水的一级支流，园洞水全流域集雨面积为35.0 8 1km，干流河长为16.40 6 km，干流比降为2.0 4%，该流域发源于新丰县合路口，经新丰秋洞入翁源县，过翁源园洞后汇入龙仙水，新丰县境内集雨面积2 0.0 8 km,河长9.061km，翁源县境内部分均位属青云山省级自然保护区范围内。随着翁源县工农业的发展、人口数量的增加和当地城镇2.1工程等别、建筑物级别和相应洪水标准园洞水库正常蓄水位338.0 6 m，相应库容8 16.2 2 万m，死水位30 2.0 6 m相应库容7 2.7 1万m，兴利库容7 43.51万m；设计水位与正常蓄水位相同，校核水位为338.2 7 m，相应总库容为8 2 3.8 0 万m。根据防洪标准（GB50201-2014）及水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2017）规定，园洞水库工程规模为小（1）型，工程等别为IV等。工程由大坝、输水洞及底孔等组成。主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级，临时建筑物级别为5级。本工程永久建筑物洪水设计标准为：主要挡水建筑物主坝按50 年一遇洪水设计，50 0 年一遇洪水校核；溢洪道消能工按2 0 年一遇洪水设计回。2.2坝型拟定根据坝址工程地形地质条件、当地料源情况，本项目比选坝型为重力坝、拱坝。因此，本次拟定堆石混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝和混凝土拱坝、混凝土面板堆石坝四种坝型进行比较，具体见表1。收稿日期2 0 2 3-0 6-16【作者简介陆明（19 8 2-），男，广东广州人，工程师，主要从事水利工程施工工作。:150第11期2023年11月方案堆石混凝土重力坝流明渠导流，二期导流底孔导流。碾压混凝土重力坝同堆石混凝土常态混凝土拱坝导流方式采用全断面隧洞导流混凝土面板堆石坝导流方式采用全断面隧洞导流综合上述技术、经济等各方面的分析比较，本阶段坝型选择堆石混凝土重力坝及其枢纽布置作为推荐方案。2.3堰顶闸门选择对于在溢流坝堰顶设置闸门的问题，考虑园洞水库在丰水年时库内水位有连续1个月以上时间低于溢流堰顶高程332.06m，平水年及枯水年库水位有连续2 个月以上时间低于溢流堰顶高程332.0 6 m，可满足闸门检修要求，故不设检修闸门，只需要在堰顶设置工作闸门。经过上述溢流堰布置方案的比选，选择2 孔溢流堰、单孔尺寸采用9.0 m6.0m（宽高）的溢流孔口方案，结合闸门受力情况、控制运用要求，考虑采用平面钢闸门和弧形钢闸门两种结构型式。方案一：平面钢闸门。平面钢闸门适用于各种挡水高度和闸孔孔径，且需要控制泄水的闸室。主要优点是：闸门结构简单，门叶可移出孔口，便于检修维护，有利于排放上游漂浮物；缺点是：上部排架柱高度较高和闸墩厚度较大，闸门启闭力大。从投资来看，大坝土建投资为1159 1.9 1万元，金属结构投资为8 5.9 6 万元，两者合计116 7 7.8 7 万元。方案二：弧形钢闸门适用于挡水高度和闸孔孔径均较大，且需要控制泄水量的闸室。优点是：上部排架柱高度和闸墩厚度较小，闸门启闭力小，没有门槽影响水流流态；缺点是：计算工况水深/m正常蓄水位338.06校核洪水位338.27园洞水库大坝选定坝顶高程为339.0 6 m，低于计算防浪墙顶高程。故坝顶上游需设防浪墙，为了保证坝顶交通与行人安全，根据混凝土重力坝设计规范（SL319-2018），防浪墙墙身高度可取为1.2 m，本次设计选定防浪墙高度为1.2 m，则设计防浪墙顶高程为340.2 6 m，满足规范要求。2.5坝基抗滑稳定根据混凝土重力坝设计规范（SL319-2018），采用抗剪断强度公式计算坝基面的抗滑稳定安全系数，抗剪断强度计算公式如下：式中：为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f为坝体砼与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；c为按抗剪断强度计算的抗剪断凝聚力,kPa；A 为坝基接触面面积,m；ZW 为作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分陕西水利Shaanxi WaterResources表1坝型方案比较施工导流工期维护管理导流方式采用两段两期流，一期导堆石砼坝运行管理简单，施工难度小，质量易34个月方便把控，工艺简单，可快速施工，缩短工期。碾压砼坝运行管理简单，施工难度不大，施工34个月方便设备要求高，工艺较简单，效率高，工期短。采用常态砼筑坝材料，运行管理简单，施工难48个月方便度大，质量难把控，工艺复杂，工期较长。采用当地材料筑坝，施工、运行管理环节较多，36个月定期巡视需加强检测，施工难度不高；坝体庞大，不利30 8 6 6.2 5万元闸墩长度较长，支墩结构复杂，维护时不能提出孔口，检修较麻烦。从投资来看，大坝土建投资为116 18.7 6 万元，金属结构投资为8 3.0 0 万元，两者合计117 0 1.7 6 万元。综上所述，平面钢闸门投资较小，且结构简单，检修维护方便，因此推荐闸门结构型式为平面钢闸门。2.4坝顶高程确定根据混凝土重力坝设计规范（SL319-2018）：坝顶高程应高于水库最高静水位。坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差，可由下式确定，应选择两者中防浪墙顶高程的高者作为最低高程。式中：h为防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h%为累积频率为1%的波高，m；h，为波浪中心线至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h。为安全加高。对于丘陵、平原地区水库，当库水位较深，且计算风速Vo26.5m、D 7.5k m 时，宜按鹤地水库公式计算。正常蓄水位工况下，坝前平均水深H=63m，平均波长Lmm=20.78m，累积频率为1%的波高h1%=0.99m；校核洪水位工况下，坝前平均水深H=63m,平均波长Lmm=11.31m,累积频率为1%的波高h1%=0.54ml。因此，园洞水库大坝坝顶高程计算成果见表2。表2 园园洞水库大坝顶高程计算成果表平均水深/mhi%/m630.99630.54ZPNo.11November,2023施工条件投资30168.97万元31623.97万元31158.85万元于水土保持。Ah=hi%+h,+heh/mh./m0.150.40.080.3值，kN；ZP为作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的切向分值，kN。大坝基础均为弱风化石英砂岩，选取具有代表性的非溢流坝段和溢流坝段分别进行抗滑稳定分析，以单宽1m为计算单元进行计算。坝基混凝土与岩基面参数见表3。表3坝基混凝土与岩基面参数表抗剪摩擦系数抗剪断摩擦系数抗剪断凝聚力参数地质建 设计采地质建设计采 地质建设计采议值用值议值用值议值用值弱风化0.62微风化0.64基本组合情况下，大坝基底、岸坡坝段的抗滑稳定安全系数K均大于3.0,K均大于1.0 5；特殊组合情况下，大坝基底、岸坡坝段的抗滑稳定安全系数K均大于2.5,K均大于1.0 0,满足规范要求。.151Ah/m1.540.920.620.64计算防浪墙顶高程/m339.60339.190.950.951.001.00备注满足规范满足规范0.820.820.980.98第11期2023 年11 月2.6坝体侧向稳定根据工程地质勘察报告，重力坝岸坡坝段的基础岩石多为微风化弱风化中部岩体，完整性较好且无明显薄弱结构面对重力坝岸坡坝段进行侧向抗滑稳定计算。为了安全起见，这里仍然假定斜坡坝段沿视作胶结面的坝基面（假定的剪切面为岩石/混凝土面）滑动，考虑上平段剪断坝体混凝土（上平段及抗力段采用了混凝土/混凝土间的抗剪断强度参数）与阻滑力的作用，岸坡坝段侧向抗滑稳定受力计算简图见图1。岸坡坝段抗滑稳定安全系数，基本组合工况下均不小于3.0，特殊组合工况下不小于2.5，因此，岸坡坝段各坝块侧向抗滑稳定满足要求。P顺水流方向的水平推力（施工期无）抗力段W2自重人W3自重F2考虑砼/岩间剪断摩擦力及凝聚力或仅考虑砼/岩间的摩擦力坝段滑动面F3考虑岩/岩间剪断摩擦力及凝聚力基岩假定剪断面图1岸坡坝段侧向稳定计算受力简图2.7坝体材料分区本工程大坝坝型为堆石混凝土重力坝，根据相关规范，结合现有竣工、正在施工的堆石混凝土重力坝，确定坝体材料分区，以满足大坝物理力学性能、耐久性、抗渗性的要求，因此，园洞水库大坝的坝体内部材料主要采用C9015F50W6一级配堆石混凝土=45%一级配自密实混凝土+55%堆石，上下游迎水面校核洪水位以下防渗混凝土采用C9015F50W6一级配自密实混凝土，坝基、塔基等混凝土垫层采用C20W6陕西水利Shaanxi WaterResources二级配常态混凝土浇筑，溢流坝段的导墙、底板、闸墩、胸墙及取水孔的过流面采用C30W6二级配常态（钢筋）混凝土浇筑，坝顶面混凝土采用C2825,闸门槽二期混凝土采用C2825F50W6,溢流坝顶的交通桥、启闭机平台结构的梁板柱采用C30二级配常态（钢筋）混凝土浇筑，坝体廊道采用C30预制钢筋混凝土结构。3结语园洞水库工程关键技术主要是堆石混凝土重力坝的设计与施工，就是近年来将自密实混凝土技术应用于坝体施工、由清华大学发明并推广的一种专利技术，其简化了传统砌石坝砌筑施工程序，计算得知园洞水库的拦河大坝坝顶高程抗力滑动段段W1自重F1考虑砼/砼间剪断摩擦力及凝聚力坝体假定剪断面坝段上作用的浮托力（施工期无）No.11November,2023339.06m，最大坝高6 9.0 0 m，坝顶宽5.0 m，坝长12 7.7 5m，坝底最大宽度55.43m。园洞水库工程建设事关翁源县乃至全市经济社会发展大局、对完善全市生产力布局、优化产业结构、保障改善民生具有重要支撑作用，是提升社会效益显著的好项目，对解决翁源县龙仙镇灌溉、饮水安全、促进工业和城镇化发展有重要作用。1刘波峰.某水库大坝设计分析J.河南水利与南水北调,2 0 2 3,52(04):6970.2胡启斌.低热水泥在乌东德大坝工程上的全面应用J.云南水力发电,2 0 2 3,39(0 4):18 4-19 2.3】周春煦，谢罗峰，张大海.石梁河水库大坝工程抗震安全评价分析J.水利建设与管理,2 0 2 3,43（0 3）：6-14,2 6.4 肖天礼.野猪坑水库结构及大坝设计计算分析J.黑龙江水利科技,2 0 2 2,50(11):43-45.5古丽孜巴艾尼.基于新疆地区小型水库大坝设计要点研究J.珠江水运,2 0 2 1（2 3):18-19.参考文献（上接第149 页）（坝中踏步右侧电杆处），右侧溢洪道边墙（0+0 0 0），长35m（0+0 0 0 0+0 35）。防渗墙深度至基岩面，防渗墙顶部高程不低于校核洪水位7 54.40 m。采用塑性混凝土防渗墙，墙厚0.6 0 m,塑性混凝土防渗墙设计抗压强度标准值采用5MPa，配置强度12 MPa以下,2 8 天抗压强度1MPa5MPa。采用钻抓成槽法。塑性混凝土比普通混凝土弹性模量小太多，其与周边岩土体变形模量相接近，极大地减小了墙体内的应力，避开了墙体开裂，节约水泥材料。优点：塑性混凝土技术比较成熟；墙厚可达0.6 m2.0m，适应各种地层，施工简便，结构可靠、防渗效果好，在国内外得到了广泛应用。结构可靠、防渗效果好、适应各类地层条件、施工简便以及造价低等优点，尤其是在处理坝体渗漏、坝后流土、管涌等渗透变形隐患问题上效果良好，一般在处理水利水电覆盖层及土石坝体或土石围堰等有防渗压力的防渗处理措施首选防渗墙。耐久性较好，防渗效率较高，安全可靠。缺点：墙体偏厚，塑性防渗墙强度和抗渗性较低，施工现场场面铺设过大、对原坝体扰动较:152大、速度慢、施工工期偏长。塑性混凝土防渗墙方案能够解决粘土心墙质量差，坝壳填筑质量差产生的渗漏问题，以及坝后渗水问题，心墙顶部高程不足产生的渗漏问题等，技术成熟，截渗质量可靠，效果好。3结语勉县团结水库出险加固工程对坝体防渗方案进行了多方案比选，塑性混凝土防渗墙是由多种建筑材料拌和而成，水泥用量很少，具有低强度、低弹模、大应变和大流动性等特性的混凝土地下防渗墙。通过降低浸润线起到坝体防渗的目的，通过国内外类似工程实践证明其投资相对较小，结构可靠、防渗效果好、适应各类地层条件、施工简便。尤其是在处理坝体渗漏、坝后流土、管涌等渗透变形隐患问题上效果良好，一般在处理水利水电覆盖层及土石坝体或土石围堰等有防渗压力的防渗处理措施首选防渗墙。