会昌县石陂水库新建埋石混凝土重力坝设计分析

刘 福

(会昌县水利工程技术保障中心，江西 赣州 342600)

1 工程概况

会昌县石陂水库位于高排乡南田村，距会昌县城39km，坝址位于濂水二级支流、高排河一级支流石陂河中上游，坝址以上集水面积3.4km2。水库正常蓄水位为335.00m,相应库容为179万m3；校核洪水位为337.03m，相应库容为208万m3，是一座以灌溉和供水为主的小⑴型水利枢纽工程，工程等别为Ⅳ等。

工程建成后，供水人口约0.8万人，灌溉农田200.00hm2，解决了高排乡石陂、珠方圆等村的灌溉和供水需求，新建该工程是十分必要的。

2 坝型选择

根据坝址地形地质条件，初拟了埋石混凝土重力坝与细石混凝土砌块石重力坝两种坝型，分别进行地质条件、工程布置、施工条件、工程管理、经济方面的比选。

2.1 埋石混凝土重力坝方案布置

埋石混凝土重力坝枢纽主要由挡、泄水建筑物等组成。建筑物沿坝轴线“一”字排开，从左至右布置了左岸非溢流坝坝段、放水孔坝段、溢流坝坝段、输水取水口坝段和右岸非溢流坝坝段。坝顶高程338.08m，坝顶总长154m，其中左岸非溢流坝坝段长45m、放空孔坝段长15m、溢流坝坝段长13m、输水取水口坝段长15m、右岸非溢流坝坝段长66m。

左、右岸非溢流重力坝采用C15埋石混凝土重力坝。坝顶高程338.08m，坝顶宽5m。左、右岸非溢流重力坝最大坝高为40.08m。重力坝上游面317.50m高程以上为铅直面，以下为1∶0.2的斜坡面，下游332.00m高程以上为铅直面，332.00m高程以下为1∶0.85的斜坡面。

溢流坝段布置在大坝中部，为无闸控制表孔溢流，溢流坝段全长13m，设1孔溢流，溢流净宽10m，堰顶高程335.00m(正常蓄水位)，溢流坝建基面高程295.00m，坝顶高程338.08m，最大坝高43.08m。溢流堰上游面317.50高程以上铅直，以下为1∶0.20的斜坡面；下游坡1∶0.85。溢流坝采用挑流消能，基础混凝土采用C20混凝土，坝体采用C15埋石混凝土，堰面混凝土采用C25混凝土。

放空孔坝段紧邻溢流坝的左岸布置，最大坝高43.08m。放空孔进口高程306.50m，孔口尺寸为长×宽为2.5×2.5m。放空孔进口坝顶设置启闭排架，启闭平台高程为338.08m。

输水取水口坝段紧邻溢流坝的右岸布置，最大坝高43.08m。输水取水采用坝前坝内埋管分层取水，共分两层取水，两层均为一直径0.8m钢管进水，顶层取水管中心线高程为320.00m，底层取水管中心线高程为314.00m。坝内埋管衬砌钢板厚度10mm。

2.2 细石混凝土砌块石重力坝方案布置

细石混凝土砌块石重力坝枢纽同样由挡、泄水建筑物等组成。枢纽建筑物在坝轴线上布置与混凝土重力坝布置一致，挡、泄水建筑物结构断面尺寸也基本同埋石混凝土重力坝结构尺寸，仅是将埋石混凝土重力坝中的C15埋石混凝土采用C15细石混凝土砌块石替代，其余结构相同。

2.3 坝型选择

地质条件：两个坝型均为重力坝方案，坝基均座落于弱风化上带基岩上，两岸坝肩局部嵌入强风化岩体中，两个坝型地基应力基本相近。从地质条件方面看，埋石混凝土重力坝与细石混凝土砌块石重力坝两种坝型基本无差别。

洪水标准：两个坝型设计洪水标准均采用30a一遇，校核洪水标准均采用300a一遇。

施工条件：两个坝型均为重力坝，具有枢纽建筑物组成简单、施工导流难度小、运行管理方便的优点。其中细石混凝土砌块石重力坝方案的砌石坝体需要靠人工砌筑，不适用机械作业，坝体砌石方量比重较大，所需要的工期更长；而埋石混凝土重力坝施工时仅需少量人工摆放好块石，然后可采用机械浇筑，所需要的工期更短，从施工进度方面埋石混凝土重力坝具有明显优势[1]。

工程运行管理方面：重力坝在枢纽建筑物布置集中，建筑物运行管理方便、安全可靠；从工程运行管理方面看两种坝型均无明显优势。

表1 埋石混凝土重力坝和砌石重力坝主要工程量和投资比较表

经济比较：两个方案枢纽布置一样，主要对两个方案的主体建筑物工程投资进行了比较，具体见表1。

综合技术经济比较，埋石混凝土重力坝较砌石重力坝投资多26.90万元，工程部分投资基本相当，但是从施工条件和工期方面考虑，埋石混凝土重力坝方案不需大量人工砌石作业，有利于机械施工，施工工期短，故设计推荐采用埋石混凝土重力坝方案。

3 工程总布置

枢纽建筑物主要为埋石混凝土重力坝。大坝坝址位于石陂河中上游，布置在会昌县高排乡田尾村石陂小组。考虑到大坝右岸阶地现已建有供水管道，相应的大坝输水取水口坝段也布置在大坝右岸，根据水库供水任务和保证下泄最小生态基流的要求，在取水口坝段坝后设置分岔管分别接供水管和灌溉管及生态需水管。根据坝址处河流和下游地形条件，溢流坝布置在大坝中部的位置。新建上坝公路1.0km，布置在大坝下游左岸，与现有公路连接。

石陂水库枢纽建筑物主要由挡、泄水建筑物组成。沿坝轴线枢纽建筑物按“一”字排开，从左至右依次布置左岸非溢流坝坝段(45m)、放水孔坝段(15m)、溢流坝坝段(13m)、输水取水口坝段(15m)和右岸非溢流坝坝段(66m)，坝顶长154m，坝顶高程338.08m，最大坝高43.08m。其中取水口采用分层取水布置结构，取水涵管为坝体埋设DN800钢管，顶层取水涵管中心线高程为320.00m，底层取水涵管中心线高程为314.00m，放空冲砂孔底高程为306.50m，孔口尺寸为2.5m×2.5m。

4 主要建筑物设计

4.1 溢流坝设计

溢流坝段布置在大坝中部，为无闸控制表孔溢流。为减少水库淹没损失，满足水库泄洪，经过调洪试算，溢流坝段全长13m，设1孔溢流，溢流净宽10m，其中溢流坝边墩厚1.5m。溢流堰按WES实用堰设计，堰顶高程335.00m(正常蓄水位)，WES曲线上游接三圆弧曲线，下游接1∶0.85斜坡，斜坡后接反弧挑流消能段，反弧半径12m，挑射角25°，挑流鼻坎高程311.50m。溢流堰体上游面上部为铅直，317.50m高程以下为1∶0.2斜面。溢流坝坝体均座落在弱风化岩体上，建基面高程287.5.00m。溢流坝坝顶设置5m宽的交通桥，桥面高程338.08m。

溢流坝为C15埋石混凝土重力坝，坝体采用C15埋石混凝土，坝体基础采用C20混凝土，坝体上游面为2.0m厚C20混凝土防渗面板，溢面堰面采用C25混凝土浇筑。

4.2 左、右岸非溢流重力坝设计

左、右岸非溢流重力坝段长分别为45m、66m，坝顶高程338.08m，坝顶宽5m。左岸非溢流重力坝最大坝高为38.08m，右岸非溢流重力坝最大坝高为40.08m。重力坝上游面317.50m高程以上为铅直面，以下为1∶0.2的斜坡面，下游332.00m高程以上为铅直面，332.00m高程以下为1∶0.85的斜坡面。

左、右岸非溢流坝采用C15埋石混凝土重力坝，坝体采用C15埋石混凝土，坝体基础采用C20混凝土，坝体上游面为C20混凝土[2]。

4.3 冲砂放空孔坝段

为了解决特殊时期水库放空的问题，在紧邻溢流坝的左岸设放空孔以备使用，放空孔坝段长15m。放空孔可兼作冲砂孔使用。

放空孔进口高程306.50m，孔口尺寸为长×宽为2.5×2.5m。放空孔进口坝顶设置启闭排架，启闭平台高程为342.50m。放空孔进口设工作闸门，为潜孔式平面滚动钢闸门，采用螺杆启闭机动水启闭。

4.4 输水取水口坝段

输水取水口所在坝段长15m，坝底高程295.00-298.00m。

输水取水采用坝前坝内埋管分层取水，共分两层取水，两层均为一直径0.8m钢管进水，顶层取水管中心线高程为320.00m，底层取水管中心线高程为314.00m；两层取水管穿过坝体后，沿下坝面接入蝶阀控制房内后合并成一根直径0.8m钢管，埋管中心线高程为306.50m，出口连接分岔管，分布接入供水管道和生态需水管。坝内埋管衬砌钢板厚度10mm。

4.5 基础处理

基础处理的主要措施为：基础开挖、帷幕灌浆、固结灌浆、坝基排水等。

1)基础开挖：

原料：面粉约320 g，人造奶油108 g，鸡蛋 1 个，水约 50 g，盐 5 g，柠檬酸少许。肉（鱼肉、牛肉、猪肉、羊肉皆可）或蘑菇 200 g，葱、胡椒粉等各适量。

该工程最大坝高43.08m，为使坝体稳定及承载力满足要求，根据坝址地质情况，并结合该工程布置情况，左岸坝体基本坐落在弱风化层，河床基础坐落在弱风化层，右岸坝基基础坐落在弱风化层或强风化层上或全风化层上。

2)帷幕灌浆：

根据规范坝高在50m以下的坝岩体以透水率q=5Lu作为相对不透水层，石陂水库最大坝高43.0m，因此取下限透水率q≤5Lu作为相对不透水层，工程存在坝基渗漏和绕坝渗漏问题，需进行帷幕灌浆处理。帷幕灌浆布置在坝基上游侧，灌浆孔距2.0m，灌浆孔深入相对于透水层以下5.0m，防渗帷幕分别向左、右岸坝肩各延伸50m。

3)固结灌浆：

根据地质勘察，坝基基岩受断裂构造影响，裂隙较发育，岩体完整性较差，拟进行固结灌浆加固处理，固结灌浆孔排距和孔距均为3m，平面上呈梅花形布置，灌浆孔深入坝基8.0m。

4)坝基排水：

为进一步降低坝基渗透压力，在防渗帷幕后设置坝基排水孔。排水孔位于坝轴线下游3.0m，排水孔孔距2.5m，孔深为帷幕深度的0.6倍。坝基排水孔与坝体横向排水管连接直接排至下游河床。

4.6 设计计算

4.6.1 坝顶高程计算

坝顶高程分别计算正常蓄水位及校核洪水位两种情况，计算公式：坝顶高程=正常蓄水位或校核洪水位+Δh。计算结果见表3。

表3 坝顶高程计算成果表

根据表3中计算结果，坝顶高程由校核洪水位控制，计算坝顶高程为337.768m。根据大坝结构布置，溢流坝坝顶设有交通桥，规范要求交通桥下部应有足够的净空，综合考虑溢流坝坝顶交通桥结构布置,本阶段最终选定坝顶高程为338.08m[3]。

4.6.2 溢流坝泄流能力计算

溢流坝为无闸控制， 溢流堰泄流能力按WES型实用堰计算，计算结果见表4。

表4 溢流坝泄流曲线计算成果表

4.6.3 溢流坝及非溢流坝坝基面稳定和应力分析

根据枢纽布置特点和大坝各溢流坝和非溢流坝剖面设计，分别选择了2个最高坝体剖面进行大坝稳定和坝基应力分析计算，即溢流坝段(单位宽度)和非溢流坝断面1(单位宽度，弱风化基础，最大坝高43.08m)。

溢流坝及非溢流坝最大坝高坝体均座落在弱风化层上。混凝土与弱风化岩体物理力学指标f′取0.62，C′取450kPa。大坝抗滑稳定和应力计算成果表见表5。

表5 大坝稳定应力计算成果表(有帷有排)

计算成果表明，溢流坝和非溢流坝稳定和应力均满足规范要求。

5 结 语

埋石混凝土重力坝和细石混凝土砌块石重力坝在地质条件、工程运行管理方面均无明显差别，但从施工角度比较，埋石混凝土重力坝方案具有无需大量人工砌石作业、可采用机械施工，施工工期短，造价相对较低等明显优势，故设计推荐采用埋石混凝土重力坝坝型方案。

结合水库特征水位，经计算确定坝顶高程为338.08m。不同运行工况下，溢流坝及非溢流坝稳定应力计算结果均满足规范要求，设计方案合理。石陂水库大坝为新建埋石混凝土重力坝，设计思路及设计方法均与水库大坝除险加固不同，可供新建水库工程参考。