申洪波

（遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司，贵州 遵义 563000）

1 工程概况

凤冈县西山水库位于凤冈县龙泉镇西山河下游的白岩塘附近，水库坝址距凤冈县城约2.5 km。水库所在的西山河属龙潭河左岸一级支流，坝址位于西山河汇口上游约0.6 km河段，坝址以上流域面积65.2 km2，主河道河长18.2 km，多年平均径流量3 820万m3。水库正常蓄水位734 m，总库容802 m3，年供水量为1 610万m3，为Ⅳ等小（1）型工程。坝型为混凝土砌石重力坝，最大坝高38.3 m，坝顶高程736.3 m。

2 坝址地形地质条件

坝址河流略呈蛇曲形，河床高程704.30～706.82 m，无大的跌坎分布，正常蓄水位734 m时水面宽130～150 m。坝址右岸上游发育一垂直于河床方向的浅冲沟，冲沟下游地形较完整，为连续较均匀的斜坡地形；坝址区左岸受上游垭口和下游河流转弯切割，总体上呈隆穹状山体地形，山顶高程782.5 m。上游近河岸为一高13～20 m的陡岩，陡岩上方则为坡面总体平顺的斜坡，向下游（顺河向）则为缓斜坡地形，为基本对称的V形河谷；设计正常蓄水位734 m，高程谷口宽高比为4.2。坝址区右岸多为第四系残坡积物覆盖，左岸基岩多裸露，局部有零星覆盖层，河床多为第四系冲洪积物覆盖，岩层产状N5°～10°W∕NE∠30°～34°，为斜向河谷结构，两岸未见大的不良物理地质现象发育，自然边坡稳定。坝址区无大的断裂构造发育，但在坝址上游左岸河湾陡岩处见一小断层f1发育，此外还发育有 如 下3组 裂 隙：N5°～15°E∕NW∠75°～80°、N35°～40°W∕SW∠80°、N80°E∕NW∠82°。坝基间持力层岩体多为灰岩，质量较均一，仅局部岩体风化强烈，坝基（肩）抗滑抗变形能力主要受构造结构面影响较大。坝址河床和两岸坡多出露T1y2-1灰岩，该层岩溶化程度不高，主要以层间溶蚀和溶隙为主，两岸及河床地表以下一定深度范围内渗透性较强，水库蓄水水位抬升后有沿左右岸溶蚀裂隙及强风化带绕坝基（肩）渗漏问题。需对坝基肩进行防渗及固结灌浆处理，坝址区上游河床及两岸出露的T1y1泥页岩，可作帷幕防渗边界依托。

3 坝型比选

西山水库坝址两岸地形基本对称，坡面较连续，冲沟不发育，右岸多有覆盖层覆盖，地形较陡，左岸基岩多裸露。坝基（肩）持力层主要为灰色薄至中厚层灰岩，靠上游侧有泥页岩软质岩组分布，岩层倾左岸，偏下游，坝址区内无大型不利物理地质体分布，自然边坡稳定性好。坝址地形、地质条件可建重力坝和混凝土面板堆石坝。根据坝址工程地形地质条件及当地建筑材料，结合工程规模、施工条件等因素［1-2］，优选砌毛石重力坝和混凝土面板堆石坝两种坝型进行比选，具体如表1所示。

从表1两种坝型技术经济综合比较，重力坝枢纽方案较混凝土面板堆石坝枢纽方案少投资801.49万元，且枢纽布置更紧凑合理、施工工期灵活、坝体填筑质量易控制且能充分利用当地石料。因此，设计优选砌毛石重力坝枢纽方案。

4 重力坝设计计算

4.1 枢纽布置

西山水库重力坝枢纽由大坝、溢洪道、放空兼冲沙孔及取水孔等共同组成。大坝为重力坝，溢洪道为坝顶表孔溢流，布置于大坝中部，堰顶设有3扇4 m×6 m的平面闸门；放空兼冲沙孔及放水孔布置于左坝段。

4.1.1 挡水建筑物。大坝为砌石重力坝，最大坝高38.3 m，坝顶高程736.3 m，坝轴线长152.5 m，坝顶宽5.0 m，上游坝铅直，下游坝坡1∶0.8，最大坝底厚32.2 m；大坝主体采用C15二级混凝土砌毛石，设计容重r=23 kN∕m3；大坝上游面设置0.6～1.0 m厚C15混凝土防渗墙，上、下游坝面采用M10砂浆砌C15混凝土预制块进行护面。基础设置1 m厚的C20三级配混凝土常态混凝土垫层。坝内设灌浆排水廊道，总长度为95.0 m。

4.1.2 溢洪道。溢洪道布置于大坝坝顶中部，为开敞式设闸溢洪道，溢流堰顶高程728 m，溢流净宽12 m，堰顶设3扇4 m×6 m的平板工作门，采用柱塞式液压式启闭机启闭。溢流堰型采用WES实用堰，堰面体形由上游面1∕4椭圆曲线、下游面曲线和反弧段组成。尾部采用底流消能，消力池长35.0 m，宽19.4 m，底板高程703 m。最大下泄流量465.0 m3∕s，相应单宽流量38.8 m3∕s。

4.1.3 放空兼冲沙系统。放空兼冲沙底孔布置于左坝段。底孔采用塔式进水口，进口底板高程713 m。底孔出口消能采用挑流消能，挑坎高程713.51 m。放空兼冲沙孔进口喇叭口，底部为平底，顶部和侧面均采用椭圆。

4.1.4 取水系统。取水建筑物紧邻放空兼冲沙底孔布置，主要由取水口、取水钢管、出口闸室等组成。取水口中心高程719.60 m，进口采用三面收缩的喇叭形，底部为平底，顶部及侧面均采用椭圆。

4.2 重力坝结构设计计算

4.2.1 坝顶高程确定。西山水库为Ⅳ等小（1）型工程，大坝为砌毛石混凝土重力坝。大坝正常蓄水位为734.00 m，设计洪水位（P=2.0%）为734.10 m，校核洪水位（P=0.2%）735.39 m。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2018），坝顶高程应高于校核洪水位。考虑两种工况进行计算：①正常运用条件：设计洪水位+正常运用的坝顶超高；②非常运行条件：校核洪水位+非常运用的坝顶超高。坝顶高程计算成果，如表2所示。

根据表2成果，坝顶高程的控制情况为校核洪水位情况［5］，取坝顶高程为736.30 m。

表2 坝顶高程计算成果

4.2.2 结构应力及抗滑稳定分析。

①荷载组合。根据《砌石坝设计规范》（SL25—2006），选择3种荷载组合进行应力及抗滑稳定分析。即基本组合1：正常蓄水位734.00 m与相应下游水位705.00 m+淤沙压力（淤沙高程718.50 m）+自重+扬压力+浪压力。基本组合2：设计洪水位734.10 m与相应下游水位709.56 m+淤沙压力（淤沙高程718.50 m）+自重+扬压力+浪压力。特殊组合：校核洪水位735.39 m与相应下游水位710.33 m+淤沙压力（淤沙高程718.50 m）+自重+扬压力+浪压力。

②结构应力计算。坝体应力计算采用材料力学法［6］，根据《砌石坝设计规范》（SL 25—2006）技术要求，西山水库砌石混凝土重力坝只需计算坝基上、下游面垂直正应力。砌石坝砌体抗压强度安全系数基本组合为3.5，特殊荷载组合时不小于3.0。采用C15混凝土砌毛石，砌体容许压应力3.3 MPa。大坝坝体材料采用C15混凝土砌毛石，坝体应力计算成果，如表3所示。

从表3可知，基本荷载组合情况下，最大压应力1.05 MPa；特殊荷载组合情况下，最大压应力0.9 MPa，大坝上游面未出现拉应力，大坝计算的最大压应力在规定的允许范围内。大坝坝基（肩）持力层主要为灰色薄至中厚层灰岩，饱和抗压强度为28～42 MPa，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 5007—2002），该工程坝基岩体属较完整岩体，地基承载力折减系数取值范围为0.2～0.5，取0.2进行计算，则坝基承载力为5.6～8.4 MPa。因此，坝基承载力满足要求。对于坝基岩体中所夹的软弱夹层，按照规范要求将其深挖后用混凝土回填，即可满足建坝要求。在3种运行工况下坝体的最大压应力、拉应力均在规定允许范围内，选用C15混凝土砌毛石材料合理，坝基承载力也满足要求。

表3 大坝应力分析成果单位：MPa

③抗滑稳定分析。大坝坝址两岸地形基本对称，地形较完整，自然边坡稳定性较好，下游无深大冲沟切割，坝肩无顺河向大规模断裂分布，左岸岩层产状倾山内；坝基（肩）持力层主要为T1y2-1灰色薄至中厚层灰岩，岩层倾左岸，偏下游，左岸、右坝肩及河床左坝段为中硬岩。右坝肩和河床段结合部上游侧有倾下游的T1y1泥页岩层，坝肩有近于顺河向的裂隙发育，岩层层面与坝肩的两组裂隙（N35～40°W∕SW∠80°，顺河向；N80°E∕NW∠82°，斜切河向）。据地面统计并结合钻孔资料看，坝址区构造裂隙主要发育在强风化岩体中，在弱风化岩体内则多闭合或尖灭，复合后连通率小于10%；且层面较粗糙，起伏差较大，跤合程度较好。建基面置于弱风化带中上部，岩体较完整，无缓倾上下游的结构面，抗滑稳定性好，无深层滑动问题。经综合分析，坝址区断层，裂隙无对大坝河床和坝肩稳定的不利组合，通过基础开挖及适当工程处理，建基面置于弱风化层岩体，对大坝基础影响不大，控制大坝滑动面为建基面与混凝土的接触面。

西山水库大坝为砌石重力坝，最大坝高38.3 m，属中坝。西山水库控制大坝滑动面为建基面与混凝土的接触面，计算按坝段进行，非溢流坝段（有排水孔段和无排水孔段）和溢流坝段；非溢流坝段（无排水孔段）只考虑帷幕灌浆作用，渗透压力折减系数取为0.6；非溢流坝段（有排水孔段）和溢流坝段考虑帷幕灌浆及排水作用，渗透压力折减系数取为0.25倍上游处扬压力作用水头。根据《砌石坝设计规范》（SL 25—2006），按抗剪断强度公式进行计算，得坝基抗滑稳定分析成果，如表4所示。

表4 坝基抗滑稳定分析成果

从表3可知，西山水库大坝在基本组合工况下抗剪断安全系数K1值均＞3.0，最小为3.15；特殊组合时K1值均＞2.5，最小为2.96，均满足规范要求，坝体整体安全可靠。

4.3 结构布置

根据坝址工程地形地质条件，大坝为重力坝，工程建成后，水库大坝坝顶不作为主要交通道，但应满足运行检修、观测、交通和坝体结构布置要求。经应力、稳定性计算，并结合坝体施工填筑要求，选定坝顶宽5.0 m，坝顶高程736.30 m。大坝紧邻县城，从整体美观考虑，坝顶上、下游侧设置青石栏杆。最大坝底厚32.2 m，坝轴线长152.5 m。根据坝基地质情况，确定建基面高程为698.00 m，最大坝高38.3 m。大坝左右两岸为非溢流坝，总长133.1 m；溢流坝段（桩号坝0+079.8 m～坝0+099.2 m），溢流净宽12.0 m。坝内设灌浆排水廊道，总长度为95.0 m，廊道断面尺寸为2.5 m×3.0 m（宽×高），廊道进口高程为710.50 m，底部高程705.00 m，廊道采用C25混凝土全断面衬砌，厚0.3 m。坝身段设置一排Φ150 mm排水孔，间距3.0 m；坝基设置一排Φ110 mm排水孔，孔间距2.5 m，坝体、坝基排水通过廊道汇集在廊道集水井内抽排到坝体下游河道。大坝坝体上游防渗墙每隔20 m设一道横缝，共设6条，横缝上游面设置一道铜片止水。

5 结论

西山水库属峡谷型水库，两岸地表分水岭多高大宽厚，但存在一单薄垭口。库区由碎屑岩和碳酸盐岩组成，库岸边坡多为切向坡，整体稳定性较好，水库经适当工程措施处理后具备成库条件。为确保水库大坝具有较高的技术经济性和安全稳定性，在设计阶段从坝型比选、枢纽建筑物布置、坝体结构应力及稳定性等方面进行了详细论证分析，主要得出以下结论。

①根据库区地形地质条件，结合枢纽布置、填筑工程量、施工技术、综合投资等因素，设计优选枢纽布置紧凑、坝体填筑方量小、综合投资省的混凝土砌石重力坝方案。

②坝顶高程取736.30 m，比校核洪水位（735.39 m）高0.91m。同时在坝顶上、下游侧设置青石栏杆，大坝整体安全美观。

③坝体应力及抗滑稳定分析成果验证了优选的坝型及枢纽布置方案合理可行，可为工程顺利施工建设提供重要技术保障。