中国烟草援建项目奎香水库混凝土面板堆石坝设计

中国烟草援建项目奎香水库混凝土面板堆石坝设计

臧超

（昭通市水利水电勘测设计研究院 云南 昭通 65700）

摘  要：本工程作为中国烟草援建项目，根据本工程的实际情况，采用混凝土面板堆石坝方案设计，能就地取材，节约投资，施工相对较简单，后期运行管理维护较容易，对当地的烟草产业发展、农业灌溉及人畜饮水具有积极作用。

关键词：烟草援建；水库；面板坝；堆石；设计

1.工程概况

奎香水库属于中国烟草总公司的援建项目，位于彝良县奎香乡后山村，水库总库容157.50万m3，设计控制基本烟田灌溉面积2.2万亩，工程规模为小（1）型水库，工程等别为Ⅳ等。枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、输水隧洞及导流放空洞组成。

坝址位于后山沟与响水沟交汇处下游165m，河谷平面呈喇叭形，坝址区位于河道转弯处，河宽10～35m，河床高程2089.8m～2095.8m，纵坡比29‰。两岸地形基本对称，河谷呈“V”型。左岸山顶高程2216.8m，至河底高差127m，高程2136m至河床为陡至峻坡地形，基岩呈强至弱风化出露；右岸山顶高程2253.3m，至河底高差163.5m，高程2129m至河床为陡至峻坡地形,局部陡坎，基岩呈强至弱风化出露。

气象资料参照县气象站：平均降水量900mm，平均蒸发量1663.5mm，平均气温17℃,最高气温41.1℃,最低气温-3.7℃；相对湿度73%；多年平均定时最大风速11.6m/s，实测定时最大风速17m/s,相应风向WNW；平均日照时数1430h。工程区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.40s，相应基本烈度为VI度。

2.混凝土面板堆石坝设计

2.1 结构布置

大坝坝顶长120m，坝顶高程2127.00m，河床趾板建基面高程2087.00m，最大坝高40m，最大坝底宽129.20m。

（1）坝顶高程的确定

奎香水库工程等别为Ⅳ等，大坝按4级建筑物设计。

工程区地震基本烈度为Ⅵ度，不考虑地震影响。大坝坝顶高程Y等于水库静水位H、波浪爬高R、风壅水面高e及安全加高A之和，即：Y=H+R+e+A，并按以下运用条件计算，取最大值：

a.正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；

b.设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；

c.校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；

非常运用条件下计算采用多年平均最大风速值11.6m/s，正常运用条件下采用1.5倍多年平均最大风速，即17.4m/s，吹程为0.68km。波浪爬高采用官～鹤法计算波浪爬高。坝顶高程计算成果见表2-1。

表2-1            坝顶高程计算成果表        单位：m

校核洪水位条件下的坝高最高，取防浪墙顶高程2128.00m，为了减少坝体填筑量，并考虑适当留有余地，设防浪墙坝顶以上1.0m，即坝顶高程为2127.00m。

（2）坝顶和坝坡

根据工程区实际，本工程坝顶不考虑交通要求。大坝坝顶长120m，坝顶高程2127.00m，河床趾板建基面高程2087.00m，最大坝高40，最大坝底宽129.20m。坝顶宽6m，设置钢筋混凝土防浪墙，墙高3.9m，墙底高程2124.10m，防浪墙顶高出坝顶以上1.0m。上、下游坝坡均为1:1.4，在下游坝坡高程2097m、2112m设2m宽的马道，并在下游坝坡设置踏步，下游坝坡采用水平宽1.0m的块石护坡。

2.2 坝体分区及建筑材料

根据面板坝工作性质及填筑材料强度、渗透性、压缩性等将填筑体分成三个主要区域。根据坝体不同的变形性状和充分使用当地材料，1区分为1A区和1B区；2区分为2A区、2AA区、2AB区；3区分为3A、3B、3C、3D和3E区。

1区：为防渗补强区。其目的是当面板出现裂缝和板间缝、张开缝时，防渗土（1A区）可以起辅助防渗作用，其上再覆盖任意料（1B区），避免防渗土料失稳。1区设置于高程2102.00m以下，顶部水平宽度为5m，上游边坡1:2.5；1A区采用粘土铺盖，水平宽度2m，边坡1:1.4。为避免破坏混凝土面板，在面板附近人工铺填夯实。

2区：垫层区，该区紧接面板，既是混凝土面板的可靠基础，又是坝体防渗的第二道防线。在周边缝下侧3m范围设置垫层区2AA区和2AB区，2A区上游坡度为1:1.4，水平宽度3m，垫层料要求级配连续，最大粒径不大于80mm，粒径小于5mm的颗粒含量35%～55%，小于0.075的颗粒含量4%～8%，控制干密度为2.230，孔隙率15%～20%，渗透系数1×10－3～1×10

－4cm/s。2A区料筛除大于40mm以上颗粒后作为2AA区使用，2AA区料筛除大于20mm以上颗粒后作为2AB区使用。采用寸田石料场灰岩料，运距9km。

3区：为堆石区，是面板堆石坝的主体，也是承受水压力荷载的主要支撑体，其材料来源于响水石料场开采的微弱风化玄武岩加工。

过渡区（3A区）：用于垫层区和主堆石区之间的过渡。过渡料与垫层料间必须满足反滤准则，水平宽3m，过渡料级配要求连续，最大粒径不大于300mm，压实后应具有低压缩性和高抗剪强度，并且具有自由排水性能，控制干密度为2.150，孔隙率18%～22%，渗透系数1×10－4～1×10－1cm/s。

主堆石区（3B区）：位于过渡区下游，绝大部分水压力荷载通过垫层由主堆石区传于地基，对面板起支承作用。3B区的灰岩块石料最大粒径为600mm，控制干密度为2.120，孔隙率20%～25%，渗透系数大于1×10－1cm/s。材料来源于响水石料场开采的弱风化玄武岩。

下游次堆石区(3C区):位于坝体下游部分，其上游、顶部以上和底部以下均为3B区，仅起到稳定下游坝体的作用，上游侧坡度为1:0.2并倾向上游，顶部高程为2116.30m，底部高程为2096.50m。3C区块石料最大粒径800mm，孔隙率大于3B区，为21%～26%。材料来源于响水石料场开采的弱风化玄武岩及坝基开挖料。

坝下游护坡（3D区）：为了与水库环境相协调，并保证坝坡的稳定及平整，下游坝坡采用厚0.6m的块石护坡，由人工铺砌，材料来源于响水石料场开采的微弱风化玄武岩。

在主堆区底部，采用大粒径块石设置排水通道，通向下游。

压实中各区填筑料应根据需要洒水，填筑时的各控制参数均由现场碾压试验确定。

2.3 面板结构与材料设计

钢筋混凝土面板是大坝防渗的主体结构，设置在垫层2区之上。

（1）面板的分块与分缝

面板采用垂直缝分块，共10块，左右坝端各1块面板宽7m，其余均宽12m，面板共设9条垂直缝,面板缝从坝顶沿坝坡一直延伸到周边缝，与坝轴线垂直，仅在接近周边缝1m处转弯，使之垂直于周边缝，面板不设水平缝。周边缝是趾板与面板间的接缝，设有两道止水。防浪墙与面板之间的结构缝设两道止水，均按周边缝设置止水系统。

（2）止水设计及止水材料

两道止水：表面用塑性填料加不锈钢保护罩覆盖，底部为紫铜片，缝面涂沥青乳胶剂或填塞沥青杉板。

止水材料主要有止水铜片、塑性填料、沥青乳胶剂、沥青杉板等。止水铜片型式主要有“W”型、“F”型及“D”型。

（3）面板材料、厚度及配筋

面板混凝土强度等级为C25，抗渗等级W8，抗冻等级F100，等厚为40cm，总面积0.504万m2，在中部配置单层双向钢筋，在受压区面板靠近垂直缝的边缘、周边缝的面板边缘配置边缘钢筋。

2.4 趾板设计

（1）趾板的体型与定线

结合地形、地质情况选择趾板线，趾板基础开挖力求平顺，避免陡坡和反坡。趾板为0.5m的等厚钢筋混凝土，宽5m，混凝土强度等级为C25，抗渗等级W8，抗冻等级F100。

（2）趾板的分缝、配筋和锚筋。

趾板建基面为玄武岩，为了避免可能产生不均匀沉降,在转角处或趾板宽度变化处设置伸缩缝，缝内设止水。

趾板混凝土表面布置一层温度钢筋，保护层厚度为10～15cm。为增强趾板与地基的连接，设置5m长的φ28锚筋，横向间距为1.2m，纵向间距1.5m，在岩层软硬交互部位加密，以保证趾板与地基同步变形。

2.5 基础处理

（1）大坝基础工程地质条件：

左岸坡高程2128m以上为残坡积含碎石粘土覆盖，一般厚0.5～4.5m，最厚达12m。下伏基岩强风化厚度3m～20m，岩体流面缓倾向右岸偏上游，自然边坡基本稳定。河床段河谷狭窄，两岸基本对称。为第四系冲洪积砂卵砾石、砂土层覆盖，下伏基岩为青灰色致密状玄武岩，岩体流面缓倾向右岸偏上游，岩体属较坚硬岩。埋深3～8m。右岸坡高程2102m以上为残坡积含碎石粘土覆盖，经坑探、钻孔揭露，一般厚0.5～3.0m，局部基岩出露。下伏基岩强风化厚度3m～10m，岩体流面缓倾向右岸偏上游，自然边坡较稳定。

（2）基础处理措施：

趾板基础置于弱风化玄武岩上，对趾板基础全部进行固结灌浆和帷幕灌浆处理，固结灌浆孔2排，排距3.0m，孔距2m，孔深要求深入基岩6m；帷幕灌浆孔1排，孔距1.5m，孔深要求深入至透水率10Lu线以下5m。帷幕线端点左、右坝肩均为正常蓄水位与地下水位相交处，帷幕灌浆总量为5706m。

2.6 大坝稳定分析

2.6.1渗流分析

（1）渗流计算水位组合情况

a.上游正常蓄水位2123.50m与下游相应最低水位；

b.上游设计洪水位2125.75m与下游相应水位；

c.上游校核洪水位2126.61m与下游相应水位；

d.库水位降落时上游坝坡最不利的情况。

导流放空隧洞平均放空流量Q设=1.6m3/s，库水位降落由正常蓄水位2123.50m降至死水位2106.80m时，平均每米库容6.20万

m3。经计算库水平均降落速度为2.23m/d，属缓降。根据规范，上游坝坡不利水位约为1/3坝高水位（2100.00m），但该水位高程低于死水位高程2106.80m。因此，库水位降落时上游坝坡最不利水位取为2106.80m。

（2）渗流稳定计算成果

混凝土面板堆石坝防渗遵从“上堵下排”原则，主要由面板起防渗作用，堆石区排泄渗水通畅，形成浸润线整体较低。采用AutoBank7.07版软件对坝体进行分析，确定浸润线。根据面板坝各分区的工作的原理，各分区渗透系数值见表2-2。

表2-2                      渗透系数取值表

各种水位情况下坝体流网图：

图2-1  坝体流网图

经计算各种水位组合情况下坝体及坝基渗漏量、浸润线出逸点位置、最大出逸坡降成果见表2-3。

表2-3                  渗流计算成果表

从计算结果看出，坝体可满足常规及规范渗流稳定要求，在各水位下，坝体浸润线位置降落较低，说明面板防渗效果较好，渗漏量较小，堆石体排水效果明显。

2.6.2稳定分析

（1）大坝稳定计算参数

根据大坝横剖面图、坝体分区填筑指标、工程地质勘察报告及工程类比确定计算参数，详见表2-4。

表2-4                   大坝稳定计算参数取值表

（2）计算结果

坝坡稳定分析采用软件AutoBank7.07版进行计算，按大坝最大横剖面，并对边界条件进行适当简化。采用毕肖普法，各种工况的抗滑稳定最小允许安全系数现行规范值，正常运用条件[k]=1.25；非常运用条件1[k]=1.15。

对大坝进行了12种工况的稳定复核，复核计算结果见表2-5大坝稳定复核计算结果表。

表2-5              大坝稳定复核计算结果表

通过计算，所拟坝坡抗滑稳定安全系数满足规范要求。

3.结束语

中国烟草援建项目奎香水库工程的建设，对当地的烟草产业发展、农业灌溉及人畜饮水具有积极作用，设计为工程服务，工程为农业服务，兴修水利，服务人民。

参考文献：

[1]《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-2013）[2]《土石坝技术》（2014年论文集），水利水电规划设计总院 组编，中国电力出版社出版；

[3]《水工设计手册》第四卷 土石坝 华东水利学院 主编，水利电力出版社1987年12月第一版；

[4]《彝良县奎香水库工程初步设计报告》昭通市水利水电勘测设计研究院2016.05；

[5]《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）

[6]《黄龙水库混凝土面板堆石坝设计及施工》，蔡小仁；浙江省水利水电勘测设计院；

[7]《混凝土面板堆石坝接缝止水技术规范》（DL/T5115-2000）

作者简介：

臧超（1988年2月），男，汉族，云南昭通人，本科，工学学士，工程师，研究方向：水利工程建设。