阿当 水库细石砼砌毛石重力坝设计方案 研究

王家林

毕节市水务投资集团有限责任公司 ，贵州毕节   551700

摘要: 鉴于阿当水库特殊地形地貌和水文地质条件，根据现场踏勘数据并综合考虑建坝河段、筑坝材料、施工度汛、占用基本农田及投资经济效益等因素，经多种坝形方案对比优化，最后确定坝型为C15细石砼砌毛石重力坝。结合水库库区淹没影响及效益区的用水需求情况，先确定水库正常水位。根据坝址处钻探的岩石结构，枢纽工程经优化调整和计算分析后，合理确定了大坝最大坝高和经济断面。分析成果表明：在不新增占用基本农田的前提下，坝体整体稳定特征指标，均满足SL319-2005规范对重力坝高坝要求，设计方案具有较高的技术可行性、经济合理性和政策性，方案设计同时兼顾到节约用地、环境影响程度和植被破坏程度等综合因素，遵循了“绿水青山就是金山银山”的设计理念。

关键词：枢纽工程；细石砼砌毛石重力坝；稳定特征指标；绿水青山就是金山银山

1 工程概况

阿当水库工程枢纽区位于阿当村附近，距离安龙县约14km，距离兴义市76km，交通便利。阿当水库所在河流洒米河属于珠江流域南盘江水系二级级支流，坝址以上集水面积14.3km²，多年平均径流量785万m³。水库正常蓄水位为1340.00m，正常蓄水位以下库容280万m³，兴利库容245万m³，死库容35万m³，为多年调节水库，设计洪水位为1341.84m，校核洪水位为1342.63m，水库总库容356万m³。工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等。水库是以灌溉为主兼顾灌区内的集镇和农村人畜安全饮水的水利工程。灌区位于水库西部及西北部，工程设计灌溉面积10530亩，集镇和农村人畜安全饮水供水人口15020人。水库年可供水量409万m³（其中居民生产生活用水量83.2万m³、灌溉用水量326万m³）。

2水文气象

洒米河流域内无气象观测资料，根据邻近地区安龙气象站观测并经贵州省气候资料中心整编并刊布的资料统计，多年平均气温15.1℃，最冷1月平均6℃，最热7月平均21.8℃，极端最高度34℃，极端最低温度-8.9℃。年平均最高气温大于30℃的日数有5.1d，年最低气温低于0℃的为13.7d。

多年平均降水量1221.4mm，5月～10月为汛期，降水量占全年的82.8%，易成洪涝灾害；11月～翌年4月为枯期，降水量占全年的17.2%，常出现春旱。最大年降水量1608.9mm（1997年），最小年降水量676mm（2011年），降雨量年际变化大，最大、最小年雨量相差达2.38倍。多年平均蒸发量1546.2mm，最大年蒸发量1928.3mm（1987年），最小年蒸发量1315.5mm（1985年）。多年平均风速2.3m/s，多年平均最大风速15.7m/s。

根据降雨量分析成果，阿当水库坝址以上流域多年平均降雨量为1220mm，查“贵州省1956～2000径流系数均值等值线图”，及《黔西南州水资源调查评价》有关等值线图成果，该流域多年平均径流系数为0.45，则设计流域多年平均径流深=1220mm×0.45=549mm。坝址集水面积13.8m²，坝址集水面积14.3m²，坝址多年平均径流量为785万m³，多年平均流量0.25m³/s。

3 水库工程地质条件

水库区、坝址区主要出露地层为三叠系中统关岭组（T2g）薄至中厚层灰色、深灰色白云岩及泥质白云岩及第四系（Q）覆盖层。

坝址地形为基本对称的宽缓“U”字型横向谷，地形坡度左岸25°～40°，右岸25°～30°河谷底高程1322m左右，坝址处河谷宽30m左右。正常蓄水位1350m高程谷宽166.8m，宽高比6.1。坝址区主要出露三叠系中统关岭组（T2g1）泥质白云岩及第四系残坡积（Qel+dl）与河床第四系冲洪积层（Qal+pl）砂卵石层。坝址区岩体总体抗风化能力较强，坝址区物理地质现象主要为崩塌及岩体风化卸荷等。坝址地下水类型为岩溶裂隙水，受地质构造的影响，近岸地下水位低平，左岸平均地下水力坡降10%～12%、右岸12%～15%。

库区河谷为补给型河谷，据坝区钻探资料，渗漏主要发生在表层岩体内，防渗处理主要沿坝轴线方向作垂直防渗，以及水库左岸距离坝址200-400m处山体作垂直防渗处理。帷幕灌浆单排布置，帷幕下限为基岩弱风化线，下限依据压水试验资料≤5Lu值确定，两岸接地下水位并适当延伸。主坝、副坝均布置单排帷幕，孔距2.0m，防渗帷幕总面积为68472.8m²。库区河流长约900m，整体地形开阔平缓，为封闭的溶蚀洼地及谷地，地形平缓开阔，库首狭窄，基岩为泥质白云岩构成，产状较平缓，自然坡度一般20°～40°，多为切向坡，一般基岩裸露，岸坡稳定性较好。预计水库蓄水抬升后，基本不存在边岸再造，库岸稳定性好。

库区水源为库尾的岩溶泉水，库尾无推移质进入库区，库盆大多基岩裸露，且多为硬质岩，仅地表第四系暴雨期间易形成固体径流，但规模较小，来源有限，对水库运行影响较小。库区断层发育规模较小，碳酸盐岩分布广，岩溶较发育，岩溶形态主要以小管道、溶洞、溶沟溶槽为主，无大型岩溶空腔发育，水库蓄水后诱发地震的可能性小。

综上所述，通过对库首进行防渗处理后，水库可达到蓄水条件。

4坝形选择

按照投资节省、节约用地、避免新增占用基本农田的原则，进行坝形选择。阿当水库坝址地形为不对称的宽缓“V”型横向谷，地形坡度右岸20°～65°，左岸10°～40°，河谷底高程1314.5m、宽13m，谷口最小高程1335.4m，宽20m。坝址区为单斜构造，岩层总体倾向河流上游，岩层产状120～125°∠10～12°。受区域构造影响，次生小构造发育，局部岩层产状紊乱。坝址岩性以泥质白云岩为主，上覆土层为少量残积土及山顶卸荷崩塌体。地下水以岩溶裂隙水为主，受断层的影响，上部岩体节理裂隙发育，构成坝址含水层，下部基岩节理裂隙不发育，且裂隙闭合好，构成坝址相对隔水层。受节理裂隙发育的影响，坝址两岸地下水排泄较通畅，近岸地下水位低平，根据钻探资料左岸平均地下水力坡降10%～12%、右岸12%～15%。

根据坝址的地形地质条件和当地建筑材料的供应条件，坝址可修建柔性坝和重力坝。由于当地泥质白云岩大面积出露，开采较方便，因此坝型选择混凝土砌石重力坝和混凝土面板堆石坝两种坝型进行比较。

4.1砼面板堆石坝方案

混凝土面板堆石坝枢纽布置方案为：混凝土面板堆石坝+右岸正槽溢洪道+左岸取水兼放空隧洞。坝轴线方位NW36.0126°，坝顶轴线长127.20m，坝顶宽6.50m，坝顶高程1344.0m，防浪墙高程1345.0m，河床趾板建基面高程1309.0m，最大坝高35.0m。主堆石区采用工程区白云岩填筑，上游坝坡1：1.4、下游坝坡为1:1.4。该方案投资为5230万元，根据自然资源部门的基本农田图斑核查结果，该方案将涉及新增占用基本农田。

图1 砼面板堆石坝枢纽布置图

4.2砼面板堆石坝方案

重力坝枢纽布置方案为：C15细石砼砌毛石重力坝+坝顶溢洪道+坝内取水兼放空管。大坝为C15细石砼砌毛石重力坝，坝轴线成直线布置，坝轴线方位角为大坝为C15细石砼砌毛石重力坝，坝轴线成直线布置，坝轴线方位角为N46.13°W，坝顶长174m。该方案投资为4919万元。

图2 砼砌毛石重力坝枢纽布置图

4.3设计方案选择

通过在选定的坝址分别布置C15细石砼砌毛石重力坝和混凝土面板堆石坝两种坝型的枢纽方案后，综合比较如下：地形地质条件：坝址地形、地质条件具备修C15细石砼砌毛石重力坝和混凝土面板堆石坝的条件，但由于没有合适的垭口布置溢洪道，混凝土面板堆石坝的溢洪道需要在岸坡开挖形成，相对而言，C15细石砼砌毛石重力坝适应性较好。枢纽布置条件：重力坝方案枢纽布置则较紧凑，溢洪道、取水兼放空管分别布置于坝体中部、右坝段，均集于坝体一身。混凝土面板堆石坝方案溢洪道布置于右岸坡，取水兼放空隧洞布置于左岸山体内，各建筑物的布置相对独立、分散。总体上，两种方案均各自代表了坝型的特点，各有所长。

工程量及投资：混凝土面板堆石坝体断面较大，其工程量较大，投资为5230万元；重力坝断面相对较小，其工程量也较小，投资为4919万元；另外混凝土面板堆石坝枢纽工程的占地面积比C15细石砼砌毛石重力坝的占地面积增加近1倍（征地投资未含在枢纽工程内），且涉及新增基本农田，将会严重制约后期的用地手续办理进程。C15细石砼砌毛石重力坝比混凝土面板堆石坝311少万元。综上所述，混凝土重力适应性较好，工程投资少，故推荐C15细石砼砌毛石重力坝。

5细石砼砌毛石重力坝布置

5.1 结构布置

大坝为C15细石砼砌毛石重力坝，坝轴线成直线布置，方位角N46.13°W，坝顶长174m。大坝由溢流坝段和非溢流坝段组成，桩号坝0+000.00m～坝0+100.00m为右岸非溢流坝段，桩号坝0+118.00m～坝0+174.00m为左岸非溢流坝段，非溢流坝段总长156.00m，桩号坝0+100.00m～坝0+118.00m为溢流坝段。非溢流坝段坝顶宽4m，坝顶高程1344.00m，建基面高程1307.00m，最大坝高37m，上游面1320.0m高程以上铅直，上游面1320.0m高程以下坝坡m=0.20，下游坝坡m=0.70，起坡点高程1340.00m。坝体材料采用C15细石砼砌毛石，根据防渗需要，上游迎水面采用C20二级配防渗混凝土，厚度为1.0m；坝基设1.0m厚C15常态混凝土垫层，下游采用M10沙浆砌C15砼预制块，预制块厚300mm。溢流坝段位于坝体中部，布置2孔开敞式溢流表孔，堰顶高程1340.00m，每孔净宽7.5m，总净宽15m，溢洪道采用挑流消能。

5.2设计计算

5.2.1坝顶高程计算

根据调洪计算成果，阿当水库校核洪水位为1342.63m，正常蓄水位为1340.00m。经量算水库计算吹程D=0.6km。根据气象资料，多年平均最大风速为

15.7m/s，计算风速分别为：正常情况23.55m/s；校核情况15.7m/s。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）有关规定要求，坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程与正常蓄水位或校核洪水位的高差按下式确定，并选高者作为选定高程：

式中：Δh—防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；

h1%—累计频率为1%的波高，m，按官厅公式计算；

hz—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差（m）；

hc──安全超高（m），本工程坝的安全级别为4级，正常蓄水位和校核洪水位下分别取0.4m和0.3m。

式中：Vo—计算风速，m/s，正常蓄水位取V0＝23.55m/s，

校核洪水位取V0＝15.7m/s；

D—计算风区长度，m，D＝600m；

Lm—平均波长，m；

H1—坝前水深，m，正常蓄水位时：H1=23.0m，

校核洪水位时：H1=25.6m。

根据以上各式和确定的参数，计算得各种工况下防浪墙顶与静水位高差及防浪墙高程成果见下表。

1. 坝顶高程计算表单位：m

由上表知，坝顶高程由校核洪水位情况控制，最终取坝顶高程为1344.00m。

图3 大坝基本断面剖面图

5.2.2大坝稳定及应力计算

坝区为单斜构造，岩层总体倾向河流上游偏左岸，岩层产状120°～125°∠10°～12°。层间未发现软弱夹层，层间咬合较好，坝线下游无深潭和跌坎，不存在深层滑动问题，未发现顺河向大型缓倾裂隙或不利结构面，坝基抗滑稳定主要受层面的控制，坝基深层滑动的可能性小，通过对坝基岩体进行固结灌浆，加强了坝基、肩岩体的抗滑稳定，因此抗滑稳定只是考虑沿坝基浅层滑动。

1）荷载组合

抗滑稳定和应力计算的荷载组合分基本组合和特殊组合两种，结合本工程实际，本工程考虑以下三种荷载组合情况。

基本组合1：自重+正常蓄水位及相应下游水位+扬压力+泥沙压力+浪压力

基本组合2：自重+设计洪水位及相应下游水位+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力

特殊组合1：自重+校核洪水位及相应下游水位+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力

2）坝体抗滑稳定计算

坝体抗滑稳定按抗剪断强度公式计算，计算公式如下：

式中：Kˊ—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。

fˊ—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，取fˊ=0.90；

Cˊ—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，取Cˊ=0.70MPa；

∑W—作用于坝体上的全部荷载对滑动平面的法向分值，kN；

A—坝基接触面面积，m²；

∑P—作用于坝体上的全部荷载对滑动平面的切向分值，kN。坝体抗滑稳定计算成果见下表：

2. 坝段稳定计算成果表

5.2.3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》（SL319-2005）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：

式中：T—坝体计算截面顺水流方向的长度，m；

∑W—作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力总和，kN；

∑M—作用于计算截面以上全部荷载对于计算截面形心的力矩之和，以使上游面产生压应力者为正，kN。

3. 坝段应力计算成果表

砌石混凝土容许压应力基本组合为4.3MPa，地基容许承载力2.8～3.5MPa。由上表计算成果可知应力计算成果和地基承载力满足要求。

6 结论

阿当坝址地形为不对称的宽缓“V”型横向谷，地形坡度右岸20°～65°，左岸10°～40°。坝址区为单斜构造，岩层总体倾向河流上游，岩层产状120～125°∠10～12°。阿当水库工程坝址坝形在同时满足刚性坝和柔性坝的同时，方案比选中在充分考虑工程技术方案优缺点的同时，同时兼顾到节约用地、环境影响程度和植被破坏程度等综合因素，遵循了“绿水青山就是金山银山”的设计理念。阿当水库大坝枢纽的方案设计，让我们进一步意识到我们在大坝枢纽工程方案设计中，在满足水库功能的同时，要充分考虑后期用地手续办理、业主方运行管理等综合因素。

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作者简介：王家林（1982-），男,贵州兴仁人，本科，工程师，主要从事水利水电工程设计、管理工作。