顶云哨水库坝型适应性比选

2023-07-28杨广省

陕西水利 2023年7期

杨广省

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵州贵阳 550000）

建立科学有效的水库坝型评价指标体系,对水库建设具有重要的指导意义[1]。水库工程因建设条件复杂,设计周期严格,坝型选择复杂且容错率低,受区域地质、原材料和投资等因素影响呈现出综合性、复杂性特点。国内学者常常采用主观经验进行坝型设计优选,但分析过程具有随机性和模糊性特点[2-3]。本文以顶云哨水库坝体为研究对象,开展坝型比选研究,建立适宜的评价体系,为水库设计决策的科学化和标准化提供指导。

1 工程概况

顶云哨水库工程位于贵州省安顺市关岭县，所在的河流为养马沟。坝址控制流域面积为1.17 km2，主河道河长1.69 km,河床平均比降75‰。顶云哨水库工程主要任务是村镇供水,供水范围为永宁集镇及养马村。水库设计供水量为35.8 万m3/a，其中向永宁镇供水32.9 万m3/a，养马村供水2.88 万m3/a。顶云哨水库总库容36.6 万m3,水库枢纽工程等别为Ⅴ等,工程规模为小（2）型；水库总供水量为35.8 万m3/a,供水工程等别为Ⅴ等,工程规模为小（2）型。提水泵站设计流量为17.1 L/s,功率为2×30 kW,泵站工程等别为Ⅴ等,工程规模属小（2）型。

2 坝型拟定比选

2.1 坝址区地质结构特点

（1）地形地貌

河流流向总体为S18°E,长约0.45 km,河床较平缓,河道呈“S”型弯曲,无跌坎深潭发育,河床高程1474 m~1460 m,河床天然坡降为3.1%,此河段集雨面积为1.17 km2。河谷呈基本对称的“V”型谷,左岸地形坡度10°~40°；右岸地形坡度20°~60°,岸坡地形总体顺直,自然边坡总体稳定。两岸坡顶高程1540 m 左右。河床宽约30 m,河流比降约3.1%。正常蓄水位1474.0 m 高程时对应谷宽约110 m,河谷宽高比为7.86。坝区整体为溶蚀型为主,侵蚀型为辅中山沟谷地貌。

（2）地层岩性

左、右岸1480 m 高程以下及河床出露三叠系下统夜郎组第二段第一层（T1y2-1）浅灰色中厚层泥质灰岩与泥岩互层地层,泥灰岩约60%,泥岩约40%,右岸1480 m 高程以上为三叠系下统永宁组第三段（T1yn3）以浅灰、灰色中至厚层泥晶灰岩为主,时夹泥质灰岩、白云质灰岩及白云岩。右岸基岩受F1、f1 断层影响,岸坡产状变化较大,断层影响带外总体地层产状N19°~30°E/NW ∠30°~50°；左岸总体地层产状N50°~60°W/NE ∠25°~35°。

右岸陡崖脚分布松散覆盖层,厚0~5 m,分布高程1490 m~1513 m,主要成分为崩塌堆积块石、碎石土；左岸覆盖层厚0~6.4 m,主要成分为残坡积砂质粘土、亚粘土夹碎石；河床覆盖层厚5.0 m~7.8 m,主要成分为腐殖土夹砂砾石土。

2.2 刚性坝坝型适应性分析

刚性坝中比较常见的为重力坝与拱坝。从地形条件来说,河床宽30.0 m,高程1460.0 m,设计正常蓄水位高程1474.00 m时,谷口宽110 m,宽高比7.86,河谷较宽,不宜修建拱坝；从地质条件来说,左、右岸1480m 高程以下及河床出露三叠系下统夜郎组第二段第一层（T1y2-1）浅灰色中厚层泥质灰岩与泥岩互层地层,泥灰岩约60%,泥岩约40%,右岸1480 m 高程以上为三叠系下统永宁组第三段（T1yn3）以浅灰、灰色中至厚层泥晶灰岩为主,时夹泥质灰岩、白云质灰岩及白云岩,不利拱坝的坝基（肩）抗滑稳定,不适合修建拱坝。因此,建议采用重力坝作为刚性坝代表坝型进行比选设计。常态混凝土单价395 元/m3,细石混凝土砌毛石365 元/m3,碾压混凝土325 元/m3,高填充自密实混凝土砌石332 元/m3,从工程单价的角度分析,高填充自密实混凝土砌石较经济,且目前人工单价较低,机械化施工从进度与投资上都较优,施工工期比较紧凑,混凝土坝采用的料场均位于坝址上游北东面直线距离约500 m 处山体,基岩为灰岩,在满足工程质量及安全的前提下,考虑选择高填充自密实凝土砌石重力坝来作为刚性坝的代表坝型进行工程布置,并进行坝型比选工作。

2.3 柔性坝坝型适应性分析

本工程附近约10 km 范围内没有足量且适宜建坝的土料,加之工程区属中亚热带季风湿润气候,空气潮湿,土料天然含水率较高,而土坝对土料含水率控制是质量的关键环节,当地日照量较少,采取翻晒降低含水率的时间较少,施工质量控制难度较大,因此,本工程不考虑土坝、粘土心墙坝坝型；沥青混凝土心墙坝在整个贵州省内实施的相对比较少,该坝型施工的工艺复杂,沥青混凝土的施工需要专门的施工设备,并要求施工单位有较成熟的技术要求,本工程规模较小,引进高水平的施工单位,有一定的难度,故亦不考虑；混凝土面板堆石坝施工的工艺较成熟,一般施工单位均可承接,故以面板堆石坝作为柔性坝的代表坝型进行技术经济比较。

2.4 坝型比选

2.4.1 水文条件比较

本工程混凝土面板堆石坝与高填充自密实混凝土砌石重力坝两种坝型的坝轴线相同,根据水文兴利调节计算,重力坝与混凝土面板堆石坝的坝址控制集水面积、正常蓄水位、死水位、兴利库容、死库容均相同,仅由于防洪标准不一样而导致校核洪水位、设计洪水位、总库容不同,而两方案水量利用系数均为42.1%,以水文条件来看,两方案条件相当。

2.4.2 枢纽布置条件

混凝土砌石重力坝方案可充分利用主河道布置泄水建筑物,枢纽布置紧凑、顺畅,后期管理方便。而混凝土面板堆石坝方案,不能利用主河道布置泄洪,泄洪建筑物布置在左岸,采用岸边式溢洪道布置,溢洪道结合趾板开挖形成高边坡,开挖支护处理工程量大。并且大坝、溢洪道、放空隧洞均布置分散,后期管理不便。

面板堆石坝方案上、下游坝坡为1∶1.4,重力坝方案下游坝坡为1∶0.75,重力坝顺水流方向比面板坝方案短,因此,重力坝方案坝体填筑工程也量小。因此,从枢纽布置来看,重力坝方案具有明显优势。

2.4.3 工程导流及度汛条件

根据坝址地形地质条件及枢纽布置特点,面板堆石坝方案导流方式采用右岸导流兼放空隧洞方案,导流隧洞断面考虑施工度汛要求,后期采用永临结合方式,导流洞后期改造可用于水库取水兼放空。本工程枯期流量较小,重力坝方案采用钢管导流,施工方便,投资较少。故从工程导流及度汛条件上看,混凝土砌石重力坝方案略优。

2.4.4 施工技术与条件

坝基开挖方面,由于坝址相同,都处于河谷底部,两岸坡度平缓,开挖难度均不大。从坝基基坑大小而言,重力坝开挖较深,面板坝开挖较浅,但覆盖层较厚,面板坝石方出渣量相对较小,但土方开挖出渣量较大。

施工工艺方面,重力坝采用高填充自密实混凝土筑坝技术,是目前较先进的筑坝工艺,施工速度较快。面板坝采用机械平仓碾压堆石,也具有快速筑坝的特点,但其堆石量较大。

根据施工安排,面板堆石坝方案工期为16 个月,重力坝方案工期为14 个月。由此看出,面板坝施工期较长,度汛要求较高,制约水库建成工期。故混凝土砌石重力坝方案具有较明显优势。

2.4.5 工程占地、水库环境影响及水土保持条件

重力坝枢纽区的工程占地为6.14 亩,面板坝枢纽区的工程占地为18.63 亩；面板堆石坝方案的枢纽建筑土石方开挖量较大,施工面分散,增加了地表扰动面积和水土流失量,虽然面板堆石坝方案的填筑料可以充分利用开挖渣料,但弃渣量仍然较大；两方案库区淹没基本一致,主要区别在于枢纽占地,由于面板坝较重力坝坝坡缓,其枢纽占地大于混凝土砌石重力坝方案。因此在工程占地、水库、环境影响及水土保持条件下混凝土砌石重力坝方案较优。

2.4.6 投资比较

两方案的投资见表1,由表1 可知,混凝土面板坝方案投资较高,高填充自密实混凝土砌石重力坝方案较优。

表1 坝型投资比较表

2.4.7 比选结果

通过上述综合比较,虽然两种坝型适应性均可,但高填充自密实混凝土砌石重力坝方案就枢纽布置、后期管理、工程施工、环评水保影响、工程投资等各方面均占有优势,因此,推荐高填充自密实混凝土砌石重力坝作为本阶段推荐坝型。

3 大坝应力分析及抗滑稳定计算

3.1 坝体应力计算

坝体应力计算采用材料力学法计算,根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319-2018）的规定,在各种荷载组合下,坝基面垂直正应力小于混凝土容许压应力和地基的容许承载力；坝基面最小垂直正应力为压应力,坝体最大主应力应小于混凝土容许压应力。计算公式如下：

坝体坝基应力计算成果见表2。

表2 坝体坝基应力计算成果

高填充自密实混凝土砌石的极限抗压强度为11.6 MPa,混凝土抗压安全系数,基本组合为4.0,特殊组合为3.5,则混凝土容许压应力基本组合为2.90 MPa,特殊组合为3.31 MPa；地基容许承载力1.6 MPa~2.0 MPa。由上表计算成果可知,在正常和校核工况下,应力计算成果和地基承载力均满足规范要求。

3.2 坝体抗滑稳定计算

大坝右岸有F1 断层通过,岩性破碎,水位较低,断层影响带3 m~10 m,断层下盘为（T1y2-1）泥灰岩与泥页岩互层地层,软弱层泥页岩厚5.0 m~6.6 m,大坝以泥页岩软弱层面为滑移面或以顺河向岩层视倾角层面为滑移面,以F1 断层为临空面和侧裂面,形成坝体向下游河床滑动,采用抗剪断强度公式计算,见下式,计算结果见表3。