尧柳水库混凝土面板堆石坝设计

陈 龙

(荔波县水利局，贵州 荔波 558400)



尧柳水库混凝土面板堆石坝设计

陈 龙

(荔波县水利局，贵州 荔波 558400)

尧柳水库是1座采用厚0.3～0.55 m变厚面板的C25混凝土面板堆石坝，最大坝高69 m。在设计时，由于坝基地质条件较复杂，需对大坝枢纽建筑物布置和结构体型进行深入分析。结合坝址地形地质、筑坝材料和施工条件等因素，首部枢纽方案设计由混凝土面板堆石坝、左岸无闸开敞式溢洪道和左岸放空兼取水建筑物三大部分组成，经多次优化调整后，枢纽布置、大坝经济断面体形、坝基处理等均能满足规范要求。图2幅，表1个。

坝设计；混凝土面板堆石坝；首部枢纽；坝基处理

1 工程概况

尧柳水库位于贵州省荔波县茂兰镇茂兰河上，工程坝址位于茂兰镇罗家村下尧柳寨子下游约2.2 km处，距茂兰镇政府约12 km，距荔波县城约35 km。工程任务是向瑶庆工业聚集区供水、灌溉及村镇供水，解决茂兰镇、洞塘乡、瑶麓乡、立化镇4 个乡镇共计8个村81个组的人畜饮水问题，同时兼顾下游农业灌溉及瑶庆工业聚集区的工业供水。坝址以上流域集雨面积18.5 km2，多年平均径流量1 619万 m3，多年平均流量0.51 m3/s。水库校核洪水位700.41 m，总库容907万 m3，正常蓄水位696.50 m，相应库容746万 m3，死水位651.00 m，相应库容11.20万 m3，兴利库容734.80万 m3。工程等别为Ⅳ等，规模为小(1)型[1_2]。

2 坝址区地形地质条件

推荐坝址位于茂兰河与保家河支流汇合口下游145 m河段，河谷断面呈基本对称的“V”型横向谷，河流流向为N67°W。两岸山体雄厚，河床宽18 m左右，高程636.6 m，河水深度在0.2～0.6 m左右，当正常蓄水位为696.5 m时，谷宽130 m，宽高比为2.2。

两岸坡地形均为下陡上缓，左岸679 m高程以下自然坡度为50°～70°，679 m 高程以上自然坡度为25°～35°；右岸701 m高程以下自然坡度为50°～60°，701 m高程以上平均坡度在25°左右，两岸均以切向坡为主。

两岸基岩多裸露，河床覆盖层厚0～2 m。坝址附近及下游河床和两岸带出露地层主要为C1y2-3中厚层至厚层灰岩夹少量泥质灰岩及炭质页岩；坝址上游河床和两岸出露地层主要为C1y2-2中厚层至厚层石英砂岩、炭质砂岩及粉砂岩，夹薄层砂岩、炭质页岩及砂质页岩。

在上坝线上游一带发育有1个背斜横穿坝区，背斜轴向45°左右，核部及两翼为下石炭统岩关组汤粑沟段第二亚段(C1y2-2)、第三亚段(C1y2-3)及大塘组旧司段(C1d1)地层组成，其核部附近岩层倾角较陡(50°～65°)，两翼岩层倾角相对较缓(15°～35°)，该背斜与河流流向近垂直。

上坝线一带河床及两坝肩正常蓄水位以下岩性主要为中厚层至厚层石英砂岩、炭质砂岩及粉砂岩，夹薄层砂岩、炭质页岩及砂质页岩，为碎屑岩类(相对隔水层)，以基岩裂隙水为主。据钻孔压水试验资料，河床及两岸强风化岩体透水率一般>20 Lu，弱风化岩体透水率一般为5～10 Lu，两岸钻孔稳定，地下水位高程均高于水库正常蓄水位。

3 首部枢纽布置

3.1 适宜坝型分析

根据地形地质条件，坝址左坝肩位于背斜核部附近，岩体节理、裂隙较发育，岩体较破碎，上坝线右坝肩下游侧为1个小冲沟，形成倒“八”字地形，坝肩较薄弱，不利于拱坝坝肩稳定；且两坝肩及河床一带层间软弱层较发育，故不宜修建拱坝。

据钻孔揭露，上坝线河床基础层间软弱层主要发育在C1y2-2及C1y2-3-1、C1d1地层中，岩层缓倾下游，倾角17°左右，其岩性主要为黑色含钙和粉砂炭质页岩，集中分布在624～612 m 高程，岩层走向与河流基本垂直，故对重力坝的深层抗滑稳定影响很大。由于软弱层分布高程太低，地基处理困难，另外两坝肩也发育有缓倾下游的软弱层，对重力坝岸坡段的坝体稳定不利，故不宜修建重力坝。

根据地表勘察及钻探成果显示，上坝线一带河床及两岸覆盖层厚0～3.5 m，强风化层厚2～6 m，弱风化层厚3.5～6 m，适宜修建混凝土面板堆石坝，故上坝线最终采用混凝土面板堆石坝作为代表坝型进行枢纽布置。枢纽布置方案为：混凝土面板堆石坝+左岸无闸开敞式溢洪道+左岸放空兼取水建筑物。

3.2 混凝土面板堆石坝

大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程701.00 m，河床段趾板建基面高程632.00 m，最大坝高69 m；坝顶宽7.6 m(净宽6.5 m)，最大坝底宽207.241 m；坝轴线方位角N21.7723°E，坝顶长151.100 m；上、下坝坡均为1∶1.4。下游坝坡在645.30、674.50 m高程各设一级马道，马道宽均为3.0 m；上游为变厚混凝土防渗面板，顶厚0.3 m，底厚0.55 m，其后依次设厚3.0 m 的垫层料、3.0 m 厚的过渡料、主堆石区以及下游干砌块石护坡；上坝公路布置在右岸。

3.3 无闸开敞式溢洪道

溢洪道布置在左岸，为无闸开敞式溢洪道，呈直线布置(见图1)。

图1 无闸开敞式溢洪道平面布置

从图1可知，溢流净宽12 m，堰型为WES实用堰，堰面曲线采用幂曲线y=0.180x1.85。堰顶高程696.50 m，交通桥面高程701.00 m，交通桥宽6.0 m。泄槽段轴线方位角为NW66.0747°。整个溢洪道由进水渠、控制段、陡坡泄槽段以及消能工组成，总长177.40 m。泄槽等宽12 m，在溢纵0+007.559 m至溢纵0+029.443 m，泄槽底坡为i=0.100；在溢纵0+029.443 m至溢纵0+125.027 m，泄槽底坡为i=0.472。泄槽底板厚0.5 m，为C30 混凝土浇筑。出口采用挑流消能，反弧半径3.5 m，挑射角15°，鼻坎高程645.00 m。

3.4 放空兼取水建筑物

放空兼取水建筑物布置在左岸，利用导流洞改建而成。管道总长357.35 m，采用龙抬头形式与施工导流隧洞衔接。管道进水口底板高程648.00 m，进水口采用岸塔式，进水隧洞前设置拦污栅，进口设1.5 m×1.5 m 平板事故检修闸门，进口采用三面收缩的喇叭形，底部为平底，收缩椭圆曲线方程X2/1.52+Y2/0.5=1。闸门井高54.0 m，在701.00 m高程设启闭机室，检修闸门后设500 mm×1 000 mm 的通气兼进人孔。出口采用龙摆尾形式接入闸阀室，在闸阀室内分出1根φ1 000 岔管接入消力池，并设φ1 000 工作闸阀。φ1 500主管经导流洞接入下游河道，作为水库放空设施。φ1 000 岔管管道在消力池内一分为二，包括生态流量管及输水钢管，消力池宽3.0 m、高5.0 m、长5.0 m。生态流量管为φ200，管长22 m，输水钢管为φ1 200。

4 结构优化设计

4.1 坝顶高程

防浪墙顶高程等于水库静水位加墙顶超高，按正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位+正常运用情况的墙顶超高，3种工况进行计算取其最大值。调洪计算结果表明：水库校核洪水位为700.41 mm， 设计洪水位为699.19 m，正常蓄水位为696.50 m，泥沙淤积高程为644.42 m，多年平均最大风速为9.8 m/s。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)[3_4]，坡比系数m=1.407，计算得坝顶高程成果(见表1)。

表1 坝顶高程计算成果

从表1可以看出，坝顶高程的控制情况为校核洪水位工况。当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙顶的要求。但此时在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5 m，为699.69 m；在非常运用条件下，坝顶应不低于静水位，为700.41 m。因此，设计将尧柳堆石坝的坝顶高程定为701.00 m，防浪墙高出坝顶1.2 m，顶部高程为702.20 m，满足规范要求。

4.2 坝顶标准剖面

坝顶高程701.00 m，河床趾板建基面高程632.00 m，最大坝高69 m，坝顶宽度7.6 m(净宽6.5 m)，最大坝底宽207.241 m。为了减少坝体填筑量，降低工程造价，坝顶部的上游面一般设1道直立的C25 钢筋混凝土的L 墙，墙高从防浪墙顶算起共3.314 m。防浪墙横缝间设1道止水至墙顶，墙顶高出坝顶 1.2 m。上游设 0.8 m 的检修平台，以利于检查通行，检修平台高程699.50 m，检修平台比设计洪水位高0.31 m。坝体分区从上游到下游依次为：上游盖重区1B(顶部水平宽度3.0 m，顶部高程651.50 m)，上游粘土铺盖区1A(顶部水平宽度3.0 m，顶部高程651.50 m)，C25 混凝土面板F，垫层区2A(水平宽度3.0 m)，过渡区3A(水平宽度3.0 m)，主堆石区3B，下游干砌块石护坡3D(厚0.5 m)(见图2)。

图2 面板堆石坝坝顶结构大样

4.3 坝基处理

(1)基础开挖

由于堆石体和地基因承受库水压力而产生的应力和变形主要分布在靠近上游1/3范围内，余下2/3范围内则较小，所以上游部分的坝基开挖中，将趾板、垫层和过渡层基础置于弱风化岩层上部，河床趾板开挖深度2～12 m，两岸开挖深度5.0～30 m。大坝中、下游部分的基础只需将覆盖层挖除即可。

(2)大坝基础处理

面板坝趾板基础多选定在弱风化岩体内，受邻近背斜影响，基础岩石节理裂隙较发育，局部岩石较破碎，对趾板基础应进行固结灌浆处理。固结灌浆布置3 排(含帷幕)，设计排距2 m，孔距3 m，按梅花型布孔。左右岸灌浆深度6～8 m，河谷段8～10 m，在背斜核部附近固结灌浆深度应大于10 m，钻孔172 个(其中机动孔16 个)，总进尺1 716 m，有效进尺1 373 m，无效进尺343 m。趾板基础采用φ25 砂浆锚杆与基础连接，锚杆长4.5 m，间、排距1.5 m，梅花型布置。趾板开挖边坡喷锚支护并布置随机锚杆，长4.5 m，间、排距3.0 m，梅花型布置。

(3)坝肩基础处理

两岸基岩多裸露。坝线附近下游两岸带出露地层为C1y2-3中厚层至厚层灰岩夹少量泥质灰岩及炭质页岩；坝线上游两岸出露地层主要为C1y2-2中厚层至厚层石英砂岩、炭质砂岩及粉砂岩，夹薄层砂岩、炭质页岩及砂质页岩。两岸地形较陡，坝肩开挖边坡较高，局部地段受岩体风化及卸荷带影响，开挖后局部可能会形成卸荷及不利结构面组合的不稳定块体，需作好开挖边坡稳定支护[5]。采用超前锚杆，先锚固后开挖。开挖后形成的永久边坡采用挂网喷锚支护，挂网钢筋为φ8@200 mm×200 mm；锚杆为φ25，根长4.5 m；喷C20 混凝土，厚100 mm。

5 结 语

(1)根据坝址区地表勘察和钻探成果，结合工程区筑坝材料及现场施工条件等因素，混凝土面板堆石坝首部枢纽设计由混凝土面板堆石坝、左岸无闸开敞式溢洪道和左岸放空兼取水建筑物(导流洞改建)三大部分组成。

(2)经设计方案的计算分析，大坝枢纽布置、坝顶高程确定、坝体经济横剖面结构体形、坝基处理方法等，均满足《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL 228—2013)要求。

(3)水库兴建后能有效解决茂兰镇、洞塘乡、瑶麓乡、立化镇的农田灌溉、村镇供水和工业生产用水问题，具有较明显的社会效益。

[1] 黔南州水利水电勘测设计研究院.贵州省荔波县尧柳水库工程初步设计报告[R]. 凯里：黔南州水利水电勘测设计研究院，2014.

[2] 郦能惠,杨泽艳.中国混凝土面板堆石坝的技术进步[J]. 2012,34(8):1361_1368.

[3] 马勋骋.街面水电站混凝土面板堆石坝主要技术问题探讨[J].水利科技与经济,2006(10):697_699.

[4] 张 伟.温泉水电站面板堆石坝坝体分区及坝料[J].水科学与工程技术,2013(3):79_81.

[5] 丁天沛,蔡小仁.黄龙水库混凝土面板堆石坝设计和施工[J].小水电,2008(2):55_60.

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责任编辑 吴 昊

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2014-12-24

陈 龙(1980-)，男，工程师，主要从事水利工程规划设计及建设管理工作。 E_mail: cl198011@126.com