大沙坝水库混凝土面板堆石坝优化设计.pdf

2 0 1 5 年第4期 水利规划与设计 设 计施 工 DOI ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 1 3 0 5 2 0 1 5 0 4 0 3 1 大沙坝水库混凝 土面板堆石坝优化设计 冉毅碧 ( 遵义神禹科技实业有 限责任公 司，贵州 遵义 5 6 3 0 0 0 ) 摘要 ：大沙坝水库 大坝是一座软岩上修建 的混凝 土面板堆石坝 ，根据坝址地形地质条件 ，对 面板堆石 坝坝型 、坝 线、坝顶 高程等进行 了详 细的设计研 究，并 结合 S T A B土石 坝边坡稳 定分析程 序 ，对大坝 坝坡稳定性进行 了详细 论证分析 。为软岩修建混凝土 面板堆石坝优化设计提供一 些有益 的参考和借鉴 。 关键词 ：大沙坝 水库 ；混凝土 面板堆石坝 ；防渗 ；优化设计 中图分 类号 ：T V 6 4 1 4 3 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 9 0 0 3 1 工 程 概 况 大沙坝水库工程位于贵州省仁怀市合马镇卢荣 坝村境 内，地处赤水河右岸支流五岔河 中下游大沙 坝河段 内 ，坝 址 距 五岔 河 河 口 1 2 6 k m，距 仁 怀 市 城区 4 0 k in，距遵 义市 1 2 6 k in。工程主要任务是 工 业供水 、农 田灌溉 、集镇及农村人畜饮水。水库坝 址 以上 流域 面积 7 8 4 3 k in ，多 年 平 均 径 流 量 2 7 6 0 万 m ， 主 河 道 长 1 9 5 9 k r n ， 主 河 道 平 均 比 降 3 5 1 4 o 。水 库 正 常 蓄 水 位 5 0 5 0 0 m， 死 水 位 4 6 0 0 0 m，正常 蓄水 位库容 1 4 9 0万 m ，死 库容 1 0 4 万 I n ，水库总库容 1 6 0 0万 m 。根据 水利水 电工 程等级划分及洪水标准 ( S L 2 5 2 2 0 0 0 ) 规定 ，工程 规模为中型 ，工程等别为等 。枢纽工程主要建筑 物 由大 坝 、溢 洪道 、放 空兼 冲沙 隧洞 及取 水 隧洞 等 组 成 。 2坝址地形地质条件 大沙坝水库坝址位 于卢荣 坝村 ( 草子坝) 村 委 会 上游 约 3 0 0 m 至 松 树 湾 间 长 约 3 5 0 m 的平 直 河 段 ，河流流 向为 s 5 1 。 W，上游 为呈 “ 几” 字形松树 湾河湾 ，下游河谷地形 稍宽 阔，主河床 略向左 岸 偏移 。坝址河床 高程 4 3 6 5 54 3 9 8 8 m，枯 水期 河 水 面71 8 m，河 水 深 0 21 5 m，无 大 的冲 坑 跌坎分布。坝址左岸上游侧 因受呈 “ 几 ” 字形松树 湾河湾冲沟切割 ，形成 侧 向单脊状地形 ，顺 下游 方 向岸坡地形起 伏变化较 大，中部呈微脊 状 向河 床 凸出，而上下游 则呈缓坡浅槽状地 形 ，下游其 9 0 浅槽顶部为缓坡与平 台相间分布 ，靠 下游侧大沙 坝一带斜坡略 向山内偏 转 ，使谷 口变宽 ，并有一 斜向发育的胡家坳 冲沟 切割。近河岸 谷坡顶部则 为一 浑 圆 形 山包 ，高程 5 7 1 m，山包 以远 则 为 一 浅 切 鞍部 地 形 。故 左 岸 地 形 完 整 性 较 差 ，岸 坡 坡 角 也 不均 一 ，上 下 游 缓 坡 浅 槽 区 坡 度 缓 ，多 为 阶 梯 状的耕地 ，综合坡度 l 5 。2 5 。 ，中部 凸出区地形 则 相对 较 陡 ，谷坡 下 部 坡 度 4 2 。4 5 。 ，中 上 部 变 缓 ，坡 度 2 0 。 2 8 。 ；而 浅 槽 状 地 形 顶 部 缓 坡 平 台 以上 ，即 4 9 0 m 高 程 以 上 岸 坡 则 又 总 体 平 顺 并 略 陡 ，坡 度 3 0 。 3 2 。 。右 岸 地 形 则 相 对 较 为 完 整 ， 坝 区内无 冲沟发 育 ( 坝 区下游边缘 有 近横 向的倒 流水溪 沟分 布 ) ，整 体 为 一 中部 略 向山 内凹 陷、 上下游为微脊状 的连续斜坡地形 ，斜坡 中下部地 形总体较缓 ，为阶梯状 的耕地 ，综 合坡 度 2 5 。 2 8 。 ，上下游脊部及整个斜坡上部地形均较 陡 ，坡 度 3 5 。 以 上 ，近 顶 部 局 部 为 陡 崖 ；坡 顶 则 为 顺 河 向展布的一宽脊状 山体 ，顶部为缓坡与平台分 布， 山顶 高程 6 5 0 m 以上 。设 计 正常 蓄水 位 5 0 5 m 高 程 谷 口宽 高 比为 4 6 ， 为 两 岸 不 对 称 的 宽 口 “ V” 型 河 谷 形 态 。坝 址 区左 岸 上 游 、右 岸 中部 及 下 游 分 布有不连续 的高 出河 床 35 m的一级 堆积 阶地 ， 阶地 宽 8 2 0 m 不 等 。 3坝 型 坝 线 优 选 3 1 坝 型选 择 坝址两 岸岩 层走 向与 河流 流 向近一 致 ，为走 向 作者简介 ：冉毅碧 ( 1 9 7 9年一 ) ，女 ，工程师。 设计 施 工 水利规划与设计 2 0 1 5年第 4期 河谷 ，河谷形态为两岸不对称 “ u” 型。受向斜影 响 两岸 岩 层倾 向相 反 ，两 岸均 为顺 向坡 。坝 址 出 露侏 罗 系 中统 上 沙 溪 庙 组 上 段 ( J S ) 泥 岩 、砂 岩 地 层 ， 左 岸岩 层 产 状 N 5 0 。 7 0 。 E N W 3 5 。5 5 。 ，右 岸 岩层产状 N 6 0 。 8 5 。 E S E L4 0 。 6 5 。 。河床基 岩强 风化厚度 3 54 5 m，岸坡 基岩 强风化 厚度 7 1 0 m。坝址 区构造均 以裂隙为主 ，多为张性。坝基 持力层岩体 主要为 软岩 ，坝基 岩体不 均一 ，坝基 ( 肩) 抗滑抗变形能力 均受结构面和软岩强度影 响。 结合勘探资料成果分析 ，坝址区岩体一定深度范围 内裂隙发育 、透水性较强 ，库水抬高后有绕坝基肩 渗漏的可能。根据 坝址 工程 地质条件 ，结合坝 高， 该 坝 址不 宜建 刚 性坝 ，宜 建柔 性 坝 。 考虑到挡 水建筑 物为 高坝 ，坝 体填筑 工程 量 大。工程区处于 山区，土壤贫瘠 ，覆盖厚度很薄 ， 若采用土坝则难以找到适合的料场 ，且土料 的开采 会造 成 大量 的工 程 占地 和大 面积 的水 土流 失 ，对 生 态环境影响很大 ，不宜采用土坝 。经综合考虑 ，结 合坝址地形地质条件 ，推荐对地基条件要求相对较 低、坝基岩体不均一性适应能力较强 的混凝土面板 堆 石坝 坝 型 。 3 2 坝 线选 择 坝址位于大沙坝上游河湾与工业 园区上游 冲沟 之 间长 约 4 5 0 m 的河 段 ，河 流流 向 N 4 0 。 E；上 游 河 湾段 呈 反 “ s ” 型 ，河 流 流 向近 与 下 游 垂 直 ；下 游 至 工 业 园区 上游 冲沟 河段 河流 流 向 W1 2 。 S 。该 河段 枯 水期河 面宽 71 8 m，河床 高程 4 3 64 3 9 m。左、 地 ；以上 为斜 坡 地 形 。左 岸 地 形 坡 角 约 1 5 。5 O 。 ， 右岸 地形 坡 角约 2 5 。 6 0 。 ，为 走 向河谷 ，河 谷形 态 为两 岸不 对 称 “ u” 型 。上游 约 1 0 0 m 长 河 段 正 常 蓄 水位 5 0 5 m 以下河 谷宽 高 比 4 54 8 ，以下 河 段 左 岸地 形更 加 宽缓 ，正 常 蓄 水位 5 0 5 m 以下 河 谷 宽 高 比 4 86 2 。 混凝土面板堆石坝轴线的趾板线尽量选择在坝 基岩 性均 匀 ，避 开不 利结 构面 ，以减少 开 挖及 处 理 工作量 ；同时利于岸边溢洪道布置 ，以枢纽建筑物 布置紧凑 ，溢洪道开挖石方尽量能利用为原则 ，尽 可能将混凝土面板堆石坝布置在工程量较小 、施工 方便 的相对河床较窄处。根据上述工程地形条件和 布置原则 ，结合工程规模、施工条件等 因素考虑 ， 同时混凝 土 面板 堆石 坝 高 、坝 底 宽 ，在 坝址 区可 选 择坝线范围不大 ，经布置 ，坝线左 、右岸端点坐标 分别为( X= 3 1 0 3 9 9 1 8 2 2 ，Y= 6 3 5 6 1 2 0 5 2 ) 、( X= 3 1 0 4 2 4 1 6 8 8 ，Y = 6 3 5 3 9 4 9 6 1 ) ， 坝 轴 线 方 位 角 N 4 0 9 9 。 W。 4 混凝土面板堆石坝优化设计 4 1 坝顶 高程 确定 根 据 调 洪 计 算 成 果 ， 水 库 校 核 洪 水 位 5 0 7 0 0 m、设 计 洪 水 位 5 0 5 3 0 m、 正 常 蓄 水 位 5 0 5 0 0 m。水库计算 吹程 D=1 5 k m，根 据气象统 计 ，多年 平 均 最 大 风 速 9 7 m s ，多 年平 均 气 温 1 7 7 。根 据 碾压 式 土石 坝设 计规 范 ( S L 2 7 4 2 0 0 1 ) ，计算得各工况下 大坝超高值及坝顶高程如 右岸 4 6 0 m高程 以下地形平缓 ，呈 阶梯状分布 的耕 表 1所示 ： 表 1 大坝超高计算成果表 平均波 浪 计算波 浪爬高 大坝超 高 计算 防浪墙 采用坝顶 采 用防浪墙 运用条件 波高 h ( m) 波长 ( m) 洪水位( m) 爬高 R( m) R1 ( m) Y( m) 顶高程( m) 高程( m) 顶高程 ( m) 正 常 0 5 4 6 3 7 1 O 3 2 2 9 7 3 2 9 5 0 5 3 0 5 0 8 5 9 5 0 8 0 5 0 9 0 非常 O 3 2 4 2 4 0 6 0 1 4 5 0 1 8 4 5 0 7 0 5 0 8 8 4 5 0 8 0 5 0 9 0 表 1可知 ，根 据 碾 压 式 土石 坝设 计 规范 ( S L 2 7 4 2 0 0 1)相 关 规 定 ， 确 定 坝 顶 高 程 为 5 0 8 0 0 m，另上游侧 增设 1 0 m 高 的防浪墙 ，墙顶 高程 5 0 9 0 0 m。 4 2大坝 坝坡 稳 定性 分析 大沙坝水库大坝按 5 0年一遇洪水设计 ，1 0 0 0 年一 遇 洪 水 校 核 ，最 大 坝 高 7 9 0 m，坝 坡 参 照 已建工程经 验类 比确定 ，上 下游 坝坡 均为 1 ： 1 5 ( 由于 下 游 坝 坡 设 置 了 两 级 马 道 ，综 合 坝 坡 为 1 ： 1 5 5 ) ，坝 顶 宽 7 0 m，最 大 坝 底 宽 2 4 2 5 0 m。 由于 工程 采 用 的 大 部 分 堆 石 料 为 砂 岩 和 泥 岩 ，根 据 面 板 坝 设 计 规 范 ，需 作 坝 坡 稳 定 分 析 。 根 据 碾压式土石坝设计 规 范 ( S L 2 7 4 - 2 0 0 1 ) 之 规定 ， 大 坝 为 2级 建 筑 物 ，其 坝 坡 抗 滑 稳 定 最 小 安 全 系 数 ：采用 毕 肖普 法 时 ，正 常 运 用 条 件 时 为 1 3 5 ， 非常运用条件 时为 1 2 5 ；采用 瑞典 园弧法 时 ，K 值减小 8 。坝坡稳 定计算 采用 水利水 电科学 研 究院土石坝边 坡稳定 分析 程序 S T A B ( 简化 版 ) 91 2 0 1 5 年第 4 期 水利规划与设计 设 计 施工 计算 。 4 2 1 荷 载组 合 大坝经过除险加 固后的坝坡稳定情况 ，分正常 蓄水 位 ( 5 0 5 0 0 m)时 的 下 游 坝 坡 和 校 核 洪 水 位 ( 5 0 7 0 0 m) 的下 游坝坡 两种 工况 。 4 2 2计算结 果分 析 经拱坝应力程序计算 ，结果表 明：正常蓄水位 工况下复核坝坡抗滑稳定安全系数 ( K) 为 1 6 0 3 ( 简 化毕 肖普法) 和 1 4 7 5( 瑞典 圆弧法 ) ，大于规范规 定的安全系数 1 3 5 ( 简化毕 肖普法 ) 要求 ；校核洪 水 位 工 况 下 复 核 坝 坡 抗 滑 稳 定 安 全 系 数 ( K) 为 1 5 1 1 ( 简化毕 肖普法 ) 和 1 3 9 0( 瑞典 圆弧法 ) ，大 于规范规定的安全系数 1 2 5 ( 简化毕 肖普法) 要求， 基 岩承 载力满 足要 求 。 4 3结 构布 置 4 3 1 混凝 土 防渗面板 设计 混凝土面板采用 C 2 5二级配钢筋混凝土 ，抗渗 等 级为 W8 ，抗 冻 等 级 为 F 5 0 。防 渗 面 板 厚 度 在 满 足 其 内布置钢 筋 和止水 以及 控制渗 透 水力 梯 度不 超 过 2 0 0前 提下 ，应 选择较 薄 的面板 厚 度 ，以提 高面 板柔性和降低造价 ，确定 面板顶部厚度为 0 3 0 m， 并 向下 底部逐 渐增 厚 。面板底 部厚 度 的取 值 范 围为 0 4 5 0 5 7 m，经综合考虑面板厚度取值为 ：顶部 0 3 m，底部 0 5 5 m。 4 3 2趾板 设计 混凝土趾板采用 C 2 5钢筋混凝土 ，混凝土抗渗 等 级为 W8 ，抗 冻等 级 F 5 0，厚 0 5 m。趾 板 置 于强 风化层 中下部 至 弱风化 层 中上部 较 完整 基岩 上 ，趾 板 基础 采用 固结灌 浆 和锚筋 ( 4 , 2 5锚 筋 与基 岩连 接 ， 锚入基岩 4 0 m，间距 1 5 m) 加 固处理 ，水库大坝 防渗帷幕灌浆沿趾板布置并沿两岸延伸接正常蓄水 位以上相对隔水的微风化完整岩体以及地下水位控 制 ，底界以深入透水率 q 3 L u的岩体 以下 51 0 m 为帷幕底界深度。河床段趾板宽度为 6 5 m，岸坡 段趾板长度随高程的升高而逐渐减短，坝体两端趾 板 宽度 为 4 5 m。 4 3 3坝体 结构 设 计 根据 混凝 土 面板 堆石 坝设计 规 范( S L 2 2 8 2 0 1 3 ) 、 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 施 工 规 范 ( D L T 5 1 2 8 2 0 0 1 ) 和 碾压式土石坝设计规 范 ( S L 2 7 4 2 0 0 1 ) ，并结 合 坝 体 施 工 填 筑 要 求 ，拟 定 坝 顶 宽 7 0 0 m，坝 顶 高 程 5 0 8 0 0 m， 坝 顶 长 3 3 0 0 0 m， 92 最 大坝 高 7 9 0 0 m，最 大 坝底 宽 2 4 2 5 0 m，上 游设 计 洪 水 位 至 校 核 洪 水 位 之 间 设 3 0 m 高 的 L型 防浪墙 ，上游坝面综 合 坝坡 1 ： 1 5 0 6 ，下 游坝 坡 1 ： 1 5 ( 由于下游 坝坡设 置 了两级 马道 ，综合 坝坡 为 1 ： 1 5 5 ) ，下游坝坡在高程 4 8 3 0 0 m、4 5 8 0 0 m 分 别设 2 0 m 宽 的 马 道 。上 游 钢 筋 混 凝 土 防 渗 面 板 厚 0 3 0 0 5 5 m，面 板 后 设 水 平 宽 3 0 m 的 垫 层 ，垫层 后 设 水 平 宽 4 0 m 的 过 渡 层 ，过 渡 层 后 为排水 区，将渗水引入底 部排水 区，排水 区后 为 主堆石区，下游为次堆石 区 ，下游坝 面为干砌块 石 护 面 。 面 板 与 河 床 和 两 岸 基 础 相 接 处 设 趾 板 ， 趾 板厚 0 5 m，宽 4 56 5 m，置 于基 岩 强 风 化 中 下部 弱风化上部较 完整岩体上 ，趾板基础采 用 固结灌浆 和锚筋加 固处理 ，水 库大坝防渗帷幕灌 浆沿趾板布置并沿两岸延伸 。 5 结语 ( 1 ) 在大沙 坝水库 混凝 土面板 堆石 坝优化 设 计 中 ，根 据 坝 址 地 形 地 质 条 件 ，结 合 水 库 大 坝 规 模及技术 经济综合 比较 ，经详细分析验 证 ，认 为 坝址去不 宜建刚性坝 ，仅适合建柔性 坝。推荐的 混凝土面板堆石坝 ，具 有工程量较省 、对地 基条 件要求相对较低 、坝基 岩体 不均一性适应 能力较 强等 优 点 。 ( 2 ) 采用 S T A B土 石坝 边 坡稳 定 分 析程 序 进行大坝坝坡稳定 性分析 ，经多次优 化调整 ，计 算结果表明 ，正常蓄水 位 ( 5 0 5 0 0 m) 时 的下 游坝 坡 和 校 核 洪 水 位 ( 5 0 7 0 0 m) 的下 游 坝 坡 两 种 工 况 下 ，其 稳 定 安 全 系 数 均 大 于 规 范 值 ，满 足 规 范 要 求 。 ( 3 ) 经枢纽 布置 和综合 技术 比较 后 ，确 定坝 轴线 方 向 为 N 4 0 9 9 。 w 。混 凝 土 防 渗 面 板 其 顶 部 厚 0 3 I l l_ ，底 部 厚 0 5 5 IT I 。 河 床 段 趾 板 宽 度 为 6 5 n l ，坝体两端 趾板 宽度 为 4 5 m。趾 板和 大坝 基础采用固结灌浆 、帷幕灌浆等处 理手段 ，软岩 进行加 固处理 。 参考 文献 1 遵义水利水 电勘测设计研究院贵州省仁怀市大 沙坝水库工程 初步设计报告 R ， 2 0 1 2 2 林文洪 砌石拱 坝坝 型控制技 术 J 水利 科技 与经 济 ， 2 0 1 0 ( 0 8 ) ： 9 4 3 9 4 5 3 陈丽萍沙牌碾压混凝土拱坝体形设计 J 水 电站设计 ， 2 0 0 4 ( 0 2)：3 6