某水库面板堆石坝设计与土石方平衡规划

杜跃普

(河南灵捷水利勘测设计研究有限公司，河南 南阳 473000)

1 引言

某水库控制流域面积112.30 km2，总库容983.30万m3，兴利库容562万m3，以灌溉供水为主的小(1)型水利工程。枢纽建筑物主要包括大坝、溢洪道及两座灌溉引水洞，大坝拟采用混凝土面板堆石坝，对坝址地质、地形条件的适应性较强。充分利用开挖料和当地材料，提高开挖料直接上坝率，是混凝土面板堆石坝设计和实施的关键所在。分析坝址处地形、地质条件，统筹考虑枢纽各建筑物布置，按照料尽其用、以需定挖的原则优化确定大坝和溢洪道断面设计。通过土石方平衡规划，优化料物调度，达到提高开挖料直接上坝率、降低工程造价的目的。

2 基本资料

2.1 水文及设计洪水

坝址区属北亚热带季风型大陆性气候，年平均气温15.10℃，极端最低气温为-14.20℃，极端最高气温42℃，多年平均风速2.10 m/s，多年平均水面蒸发量769 mm。多年平均降雨量为780 mm，降雨年内分配极不均匀，其中6-9月降雨量约占全年降雨量的61.80%，降雨年际变化大，最大年降雨量约为最小年降雨量的3.20倍。水库50年一遇设计洪水洪峰流量为1 931 m3/s，500年一遇校核洪水洪峰流量为3 104 m3/s。

2.2 地形、地质

2.2.1 地形地貌

坝轴线处河谷底宽约23 m，高程256.23～257.00 m，谷底与两岸山顶相对高差超过46 m。河谷为“U”型，右岸有人工修筑的耕地和房屋。两岸山体基本对称，左岸山体自然坡度35°～40°；右岸山体自然坡度22°～25°，两岸植被发育良好。

2.2.2 地质条件

分布于坝址的地层较单一，主要为华力西期花岗岩及作为围岩捕虏体及残留顶盖的云母石英片岩和大理岩，右岸分布有少量的残坡积砾质土。①左坝肩山体呈北东—南西向，山体雄厚，坝肩岩性为花岗岩夹薄层云母石英片岩，强风化厚度3.50 m，以下为弱-微风化岩石。该坝肩上部岩石强风化厚度3.50 m，岩石透水率54.63 Lu，中等透水，弱风化岩石厚27.40 m，岩石透水率3.98～30.40 Lu，弱-中等透水；其下微风化岩石，岩石透水率0.48～0.51 Lu，弱透水。左坝肩存在绕坝渗漏问题。②右坝肩山体呈北西-南东向，山体较雄厚。坝肩岩性为花岗岩，夹薄层大理岩及云母石英片岩捕虏体，在山坡、坡脚上零星分布有砾质土，厚度约2.70 m。该坝肩上部岩石强风化厚度3.90 m，岩石透水率20.65 Lu，中等透水，弱风化岩石厚8.80 m，岩石透水率17.12～27.59 Lu，中等透水；其下微风化岩石，岩石透水率2.80～45.40 Lu，弱-中等透水。右坝肩存在绕坝渗漏问题。③河槽段坝址河床偏于左岸，岩性为花岗岩夹云母石英片岩捕虏体，弱风化岩石厚度为4.80 m，岩石透水率64.10 Lu，中等透水；下部为微风化岩石，岩石透水率0.64～37.40 Lu，弱-中等透水。因此河槽段存在坝基渗漏问题。坝基岩石花岗岩为硬质岩石，但风化程度不一，结合岩石结构和岩体完整程度，确定承载力为：强风化500 kPa，弱风化2 000 kPa，微风化2 500 kPa。

3 枢纽布置及主要建筑物

3.1 枢纽布置

坝址区河谷为“U”型河谷，坝基为弱～微风化花岗岩，上游料场石料较丰富，上游河道左岸有天然垭口，适合布置泄洪设施。坝址处坝顶长度与坝高之比为4.90，属宽浅式河谷，有利于混凝土面板堆石坝布置，且坝体受力条件较好。

枢纽建筑物主要包括混凝土面板堆石坝、溢洪道及两座灌溉引水洞。大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高44.60 m，坝顶总宽6 m，净宽5.30 m，坝顶长220 m。溢洪道位于大坝上游左岸垭口处，由进水渠、铺盖段、控制段、护坦段及尾水渠段等组成，顺水流向总长328 m，堰顶净宽90 m。两座灌溉引水洞分别布置在大坝左右岸，洞身采用隧洞型式。

3.2 主要建筑物

3.2.1 混凝土面板堆石坝

最大坝高53 m，坝顶高程301.50 m，坝顶总宽6 m，坝顶长216 m，大坝上、下游坝坡均为1∶1.40。根据坝体不同部位的受力情况和变形性状，依据各区坝料之间应满足水力过渡和变形模量递减的原则，坝体分区从上游到下游共分10个分区：铺盖区1A、盖重区1B、垫层区2A、特殊垫层区2B、过渡区3A、坝顶堆石区3A1、主堆石区3B、次堆石区3C、块石护坡区3D及抛石区3E，见表1所示。在周边缝下游侧设置特殊垫层区；垫层区与过渡区水平宽度均为3 m；次堆石区顶部高程295.00 m，上游侧边坡1∶0.50。面板混凝土采用厚0.40 m的C30钢筋混凝土，抗渗等级W8，抗冻等级F150。在面板截面中部设单层双向钢筋，纵横向配筋率均为0.35%。

表1 坝体材料分区及填筑参数表材料分区 粒径级配要求 初定碾压参数

坝顶路面厚18 cm C20混凝土，下设厚15 cm碎石垫层。坝顶上游侧设高5 mL型C25钢筋混凝土防浪墙，顶部高程304.20 m，底部高程299.20 m。交通观测平台高程300.00 m，平台宽1 m，平台外侧设高1.20 m不锈钢栏杆。坝顶下游侧设高3 mL型C25钢筋混凝土低挡墙，顶部高程303.80 m，底部高程300.80 m。

上游坝坡1∶1.40，在高程274.00 m以下填筑粘土铺盖及弃渣料盖重。粘土铺盖顶宽3 m，上游边坡1∶1.60，盖重区顶宽3 m，上游边坡1∶20。下游坝坡1∶1.40，厚40 cm干砌石护坡，分别在高程293.00 m处及278.00 m处设宽2 m马道。

趾板下部基岩进行帷幕灌浆和固结灌浆。趾板宽6.00 m，厚0.50 m，采用C30钢筋混凝土。趾板基础设2排固结灌浆和1排帷幕灌浆，固结灌浆孔深8 m，帷幕灌浆孔深按q≤3 Lu控制。帷幕灌浆设在固结灌浆中间，排距1.50 m。

3.2.2 溢洪道

溢洪道位于坝址上游左岸垭口处，由进水渠、铺盖段、控制段、护坦段及尾水渠组成。控制段采用WES实用堰，末端采用挑流消能。控制段堰顶高程295.45 m，堰前进水渠总宽98 m，堰顶净宽90 m；挑流段鼻坎高程285.00 m，反弧半径10 m，挑角19°。尾水渠段总长209 m，底宽98～70 m。①进水渠总长80 m，底宽98 m，地面整平至高程294.00 m。左岸采用厚50 cm的C25钢筋混凝土直挡墙，墙高10 m，墙顶以上按1∶0.50分台阶削坡，并采用C20混凝土喷护；右岸为现状岸坡。②铺盖段长12 m，底宽98 m，底板高程294.00 m，底板采用厚50 cm的C25钢混凝土筋结构，左、右岸采用厚50 cm的C25钢筋混凝土直挡墙，墙顶以上按1∶0.50分台阶削坡，并采用C20混凝土喷护。③控制段采用C25钢筋W混凝土ES实用堰，长23 m，堰顶高程297.00 m，总宽98 m，净宽90 m。堰面下游直线段坡比1∶0.70，末端接挑坎段，鼻坎高程285.00 m，半径10 m，挑角19°。④护坦段长8m，底宽70m，采用C25钢筋混凝土结构，底板高程282.50 m。⑤尾水渠长209 m，底宽98～70 m，为增加开挖量、降低边坡防护工程量，底板及两侧岸坡均不护砌，采用梯形断面，坡比1∶0.75。

3.2.3 两座灌溉引水口

两座引水口分别布置在左右岸，洞身采用隧洞型式，进口采用竖井结构，出口设陡坡、消力池与下游渠道衔接。

3.2.4 施工导流建筑物

施工导流采用一枯拦洪方案，即第一个枯水期由上游围堰拦洪，导流隧洞泄洪；第一个汛期由坝体临时断面挡水，导流隧洞与溢洪道(开挖断面)联合泄洪，坝体填筑至度汛高程299.20 m；第二个枯水期完成大坝全部填筑工程；枯水期导流标准采用非汛期5年一遇，设计洪峰流量为25.50 m3/s；度汛标准采用20年一遇，设计洪峰流量为1 457 m3/s。导流隧洞位于左岸，总长330 m，断面型式为城门洞型，底宽2.00 m，高2.50 m。

4 土石方平衡规划

根据确定的枢纽布置、大坝和溢洪道等建筑物断面设计，坝体各分区料物数量及料源见表2。

表2 坝体各区料物数量及料源表

4.1 规划原则

土石方平衡规划的原则：①料尽其用：面板堆石坝的坝料除了垫层料、排水料等材料外，均应优先采用当地材料，并首先充分利用开挖料。弱风化岩石开挖料优先用于垫层区、过渡区、主堆石区、坝顶堆石区，强风化岩石开挖料主要用于次堆石区、盖重区，坝基覆盖层剥离料用于施工临时道路填筑，最大限度地利用开挖料，减少弃料。②以需定挖：根据坝体填筑方量，优先将溢洪道、隧洞及坝基开挖料用于填筑坝体。不足时，对溢洪道采取较保守的设计边坡，在节省边坡处理费用的同时，增加开挖料以满足土石方平衡的要求。③减少占地、直接上坝：可利用开挖料直接上坝或经料场暂存后上坝，做好施工组织设计，开挖料尽可能多地直接上坝，减少料场中转占地，以节约投资。

4.2 土石方平衡规划

大坝坝体填筑所需石料包括堆石料和砂石加工系统所需的母岩石料，工程共需石料37.60万m3(实方、码放)。大坝、溢洪道、隧洞开挖料经过分选，可利用的硬岩料21.81万m3，软岩料11.35万m3，剥离料3.36万m3，合计36.52万m3(自然方)，工程可利用料见表3。在遵循上述“物尽其用、以需定挖、减少占地、直接上坝”的原则，考虑开采、运输、堆存的损耗系数和利用系数，对土石方平衡规划如下。

表3 工程可利用料统计表

溢洪道开挖料：①软岩主要用于填筑坝体次堆石区3C；②硬岩主要用于填筑坝体主堆石区3B、块石护坡区3D、抛石区3E以及经砂石加工系统加工后填筑垫层区2A、特殊垫层区2B、坝顶堆石区；③覆盖层剥离料主要用于填筑施工临时道路，余土作为弃渣处理。坝基开挖料：①覆盖层剥离料用于填筑围堰；②强风化开挖料主要用于填筑坝体盖重区1B。两座灌溉引水隧洞和导流隧洞开挖料经过砂石加工系统加工后作为坝体混凝土骨料使用。土料场开挖料用于坝体铺盖区1A填筑。经土石方平衡分析，除大坝铺盖区粘土采自土料场，溢洪道覆盖层部分剥离料作为弃土外，工程开挖料全部用于坝体填筑。

5 结论

混凝土面板堆石坝属当地材料坝，对坝址地质、地形条件的适应性较强，是具有较强竞争力的坝型之一。根据混凝土面板堆石坝坝体不同部位的受力情况和变形性状，按照各区坝料之间应满足水力过渡和变形模量递减的原则，设计坝体分区。按照“料尽其用、以需定挖”的原则，统筹考虑水库枢纽面板堆石坝和溢洪道等建筑物的断面设计，对溢洪道采取较保守的设计边坡，在节省边坡处理费用的同时，增加开挖料以满足坝体填筑方量的要求。通过土石方平衡规划，优化料物调度，提高开挖料直接上坝率，做到了充分、合理规划利用开挖料，有效减少了料物转运临时占地，降低工程造价。