1、1双江县幸福水库拦河坝工程设计摘要：本文结合双江拉祜族佤族布朗族傣族自治县幸福水库拦河坝工程的设计实 例，介绍该工程的设计和优化,供类似工程参考。 关键词：水库；拦河坝设计 Abstract: this paper double happiness lahu wa the blang nationality the dai national minority autonomous county jiang reservoir engineering design of the barrage Example, this paper introduces the design and optim
2、ization of the project, provide the reference for the similar projects. Key words: reservoir; A dam design 中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2013) 1、幸福水库慨况 幸福水库位于双江拉祜族佤族布朗族傣族自治县贺六乡以东，是一个以拦河蓄水为主，引蓄为辅的小（一）型水库工程。水库本区径流面积 4.93km，多年平均来水量 330.3 万 m；引区径流面积5.58km,多年平均来水量 424 万 m，水库引蓄水量为 75 万m。水库坝型为辗压式粘土心墙碴料坝；
3、坝高 52.4m；水库总库容242.59 万 m，兴利库容 201.09 万 m，灌溉面积 7625 亩。 2幸福水库工程规模属小（一）型，工程等别为四等，拦河坝为四级建筑物；根据水文径流调节计算及调洪演算成果，水库正常蓄水位1318.75m；水库最低工作水位 1284.34 m；设计洪水标准按 30 年一遇设计（水位 1319.85m） 、300 年一遇洪水校核（水位 1320.35m） ；施工度汛洪水标准按 20 年一遇设计。 幸福水库建筑物抗震设计采用基本烈度度为设计烈度。 2、拦河坝设计 2.1 坝型、坝址的选择及工程总体布置 2.1.1 坝址的选择 幸福水库坝址区河谷狭窄，呈“V”型
4、，底宽 1030m，两岸陡峻，地形坡度 300400，河道弯曲，I、级阶地发育，河床比降 1/35，属河流侵蚀堆积地貌。地层岩性为燕山期混合花岗岩，全风化带厚 58m，强风化带厚 2530m；下游为侏罗系中统砂岩，全风化厚度 12m，强风化厚 2025m。两地层之间发育一条不整合蚀变侵入接触带，带宽3050m。带内节理裂隙发育，岩石破碎。坝址区地层岩性不均一，构造和物理地质现象较发育，两岸山坡中等稳定，工程地质条件较好。 可行性研究阶段考虑到避开混合花岗和砂岩的不整合接触带，把拦河坝轴线布置在接触带上游。本设计阶段根据地形地质条件，选择距原可研坝轴线 104m 的下游位置布置拦河坝。通过地勘工
5、作，本阶段选定的下坝址虽存在坝轴线处于不整合接触带，基岩节理裂隙发育，漏水严重等，但不存在重大颠覆性地质问题，且存在的问题可以通过工程措施处理。因此，本阶段根据上、下两坝址的工程地质、枢纽布置，主要工程3量及工程投资几个方面，进行综合论证比较，确定幸福水库拦河坝坝址布置方案。 上、下坝址枢纽布置方案比较表 项目 上 坝 址 下 坝 址 工程地质 河床开阔，两岸地形坡度 15-40，冲沟发育，第四系坡积层厚 0.5m，冲洪积 2.5 m，下伏全强风化基岩主要是混合花岗岩，其余为蚀变混合岩和砂岩厚 18-50 m，隧洞围岩 IV-V 类稳定性差不稳定，基础透水性弱微弱。 河谷狭窄，左右岸地形坡度
6、25-35，冲沟发育，坝轴线位于不整合接触带上，第四系坡积层厚 1.5-2.5m，冲洪积 2-3m，下伏基岩基蚀变混合岩和花岗岩的全强风化带，隧洞围岩-IV 类。基础透水性强微弱。 枢纽布置 大坝坝高 49.2m，坝顶宽 6 m，坝轴长 225.4 m。受地形地貌限制，输水隧洞布置在右岸，进出口均需设弯道，水力条件差，洞长201 m，溢洪通布置在左岸，为减少开挖量，进口采用侧堰进水及部分隧洞段，溢洪道长 359 m，浆砌块石衬砌，缓坡段存在高边坡开挖，对溢洪道安全运行有一定影响，溢洪道和输水隧洞出口均采用挑流消能，可能会造成岸坡冲刷。 大坝坝高 52.4m，坝轴长 176.5 m，坝顶宽 6
7、m。溢洪道和输水隧洞布置在山背两侧。溢洪道为宽顶堰进口，整个溢洪道直线明渠布置，水力条件好，全长 144m，钢筋混凝土衬砌，出口底流消能。4输水隧洞进口采用明管暗涵型式，并结合施工导流，底板降低。进口段设一个明管弯道，输水隧洞全长 232m，出口底流消能。 主要工程量 大坝回填 23.4 万 m3，坝及建筑物开挖 6.1 万 m3，浆砌石 1169 m3，混凝土 2762 m3，帷幕 灌浆 2348 m，钢筋 131.4T。 大坝回填 24.6 万 m3，坝及建筑物开挖5.1 万 m3，浆砌石 708 m3， 混凝土 2525 m3，帷幕灌浆 3197m，钢筋 111.4T。 工程总投资 17
8、99.56 万元 1788.96 万元 通过以上两个坝址枢纽布置方案比较分析，下坝址方案的工程地质条件与上坝址相比，第四系地层稍厚些，基础透水性略强，但隧洞围岩较好。另外，下坝址输水隧洞竖井后均为无压直线洞身和明渠，水流顺畅；溢洪道为直线明渠式，超泄能力强，水力条件好，无高边坡开挖问题，两个建筑物的出口水流通过消力池后平顺地归入原河床，不会造成河岸冲刷，下坝址溢洪道均采用钢筋混凝土衬砌，运行安全可靠性也较高，总投资低于上坝址。因此，选择运行安全可靠，布置合理，投资略低的下坝址枢纽布置方案是合理可行的。 2.1.2 坝型比较 可研阶段的基本坝型从坝址区地质条件、筑坝材料、拦河坝抗震安全等经综合论
9、证，选定了土石坝作为基本坝型（心墙坝和均质坝） 。本阶段通过对筑坝土料、石料的地质勘察，防渗土料场有 I、两料场。I 料场位于坝址下游左岸 1.1Km 处，料场位于坝址下游右岸 2.5Km 处。土料的储量 16.3 万 m3，有用层开采厚度仅 0.9-2.5m，剥采比 0.2，属第四5系残坡积层高液限粉质土，成份为侏罗系砂岩，物理力学指标较差；料场为石碴料，石碴料为强弱风化石英砂岩，位于坝址下游顺河右岸，运距 600-900m，物理力学指标较好，储量 78.9 万 m3，剥采比 0.06；就粘土心墙石碴坝和均质坝两种坝型而言，均质坝坝坡缓，筑坝土料方量大，而土料又十分缺乏；而粘土心墙石碴坝抗滑
10、稳定性好，抗震适应性能强，筑坝材料充足，因此采用粘土心墙石碴坝作为选定坝型。 2.2 拦河坝设计 2.2.1 坝体结构布置及土料设计 2.2.1.1 坝顶高程 按辗压式土石坝设计规范 ，坝顶高程按以下三种运用情况加安全超高确定。 坝顶安全超高=R+e+A 式中：R波浪爬高 e风浪壅水面高 A安全超高 按规范第 4.4.4 条“非正常运用条件下，坝顶应不低于静水位” ，故取坝顶高程 1320.4m，防浪墙顶高程 1321.4m. 2.2.1.2 拦河坝结构及断面尺寸 大坝为粘土心墙石碴坝，坝高 52.4m，坝顶宽 6.0m，坝轴线长 176.5 m，坝顶高程 1320.4m,坝顶防浪墙高 1.0
11、m，防浪墙顶高程 1321.4m。防浪墙用 150#钢筋混凝土浇筑。上游坝坡分两级，高程 1299.0m 以上1:2.0，以下 1:2.2；下游坝坡在高程 1320.4-1297.0m 之间 1.18，高程61297.0-1277.0m 之间 1：2.0，高程 1277.0m 以下设排水棱体，棱体下游坡比 1:1.5，上游内坡 1:1.0，棱体顶宽 3m；上下游坝坡变坡处均设宽2m 的戗台；防浪墙基座伸入心墙，与之形成统一防渗体。心墙顶宽 4m,顶高程 1320.0m，心墙上下游坡比均为 1:0.3，心墙底高程 1269.0m，心墙上游设一层、下游设两层厚 2m 的混合反滤层；心墙底部轴线上做
12、5m50cm（宽厚）的 150#砼灌浆盖板；坝基截槽上、下游边坡为1:0.5，底部深入基岩 1.5 m，心墙底宽随高程的变化改变，最少不小于4m，最大底宽 35 m；上下游坝壳均用强风化石英砂岩回填；上、下坝面都用厚 30cm 的干砌块石护坡。上游坝面护坡块石下设两层反滤；坝顶、戗台、坝体与岸坡连接处均设排水沟，坝面中部设竖向排水沟，坝面排水沟采用 150#砼，断面尺寸 3030cm；堆石排水棱体与坝体、坝基冲洪积层之间设厚 50cm 的反滤层。 2.2.1.3 坝料设计暨计算参数 a、坝壳料。坝壳料采用料场侏罗系强弱风化石英砂岩碴料。根 据大型土工试验资料，取设计干容重 rd=1.86t/m
13、3，控制孔隙率=26%,渗透系数 K=110-3s。 坝壳料大型土工试验成果：内摩擦角 =36563747，凝聚 力 C=25.230.4KPa，由于筑坝碴料在水作用下力学指标有一定降低。因此，取上游坝壳料 =30，下游坝壳料 =32，凝聚力 C=9.3KPa，容重 r=2.2T/ m。 b、防渗料。防渗土料采用、土料场的第四系残坡积层壤土。按辗压土石坝设计规范和抗震规范 ，粘性土的填筑密度以压实干容7重为设计指标，并按压实度确定，不低于 0.930.96，取压实度 P =0.94。 P= rdsrdmax rds-设计填筑干容重 rdmax-标准击实试验最大干容重，rdmax=1.54T/m
14、， 设计干容重 rds =P.rdmasx=1.45T/m， 试验最优含水量 W=25.728.2%，取填筑控制含水量 W=27.1%，设计容重 r=（1+0.01W）rd=1.84T/m。 两组土料试验内摩擦角为 1933、2250，凝聚力为6.1、6.3Kpa。考虑到高液限粉质土遇水后指标降低，故力学指标部分折减，取计算用指标内摩擦角 =18，凝聚力 C=4.5KPc，容重 r=1.84T/ m，渗透系数 K=7.3210-8cm/s。 、反滤料设计。反料采用南勐河天然河沙，反料在施工现场加工，岩性为侏罗系石英砂岩。设计成果见下表： 设计反滤层颗粒组成表 设计反上包线颗粒组成表 设计反下包
15、线颗粒组成表 设计反滤层颗粒组成表 8设计反上包线颗粒组成表 设计反下包线颗粒组成表 反滤料施工填筑指标： 相对紧密度 br0.75；渗透系数的数量级控制在 10-310-2(cm/s)。2.2.2 防渗帷幕灌浆设计 2.2.2.1 设计帷幕伸入相对不透水层内 5m，相对不透水层的标准为基岩单位吸水率 W0.05L/min,其余均属微极微透水带 W0.05L/min。因此，帷幕灌浆主要针对河床基础的两个“透镜体” ，但考虑到水库径流量小，为尽量减少水库渗漏量，需对坝基、坝肩进行防渗处理。 2.2.2.2 防渗处理采用直线单（坝肩） 、双（坝基）排帷幕，帷幕轴线偏向坝轴线上游 0.5 m，处理范
16、围为大坝坝基及两坝肩段，帷幕线总长316 m。坝肩孔距 2m,帷幕深度 1525m，允许水力比降 Jc=18；坝基河床段排距 2m、孔距 3m，帷幕深度 1530m，最大水头 78m,允许水力比降Jc=25。据帷幕灌浆渗流比降公式 J=H/T（H作用水头，T帷幕厚度）计算，最大渗透比降均于小允许值，即 JJc 满足渗透稳定要求。 2.2.3 抗滑稳定计算及成果 2.2.3.1 大坝抗滑稳定计算的几种情况 9辗压式土石坝设计规范规定稳定分析中应核算的控制土石坝稳定的三个时期为：一施工期（包括竣工时）的上下游坝坡：二稳定渗流期的下游坝坡；三水库水位降落期的上游坝坡。 大坝抗滑稳定考虑前两种计算情况
17、。 2.2.3.2 计算理论 根据辗压式土石坝设计规范附录三，采用瑞典园弧法的计算公式： 施工期 稳定渗流期（总压力法） 式中：b-条块宽度 ； W-条块实重； -条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间夹角； U-孔隙压力；-内摩擦角 ； C-凝聚力。 2.2.3.3 计算成果 通过计算机进行坝体稳定分析，得出以下水库各种运用情况抗滑稳定最小安全系数满足规范允许最小安全系数的要求，说明大坝在各种运行情况下是稳定可靠的。 抗滑稳定计算成果表 水库运行条件 坝坡 最小安全 系数k 规范允许最小安全系数k 正常水位稳定渗流期 不地震 102.2.3.4 拦河坝沉降及预留超高 拦河坝坝基为全强风化基岩，故沉降主要发生在坝体内，按辗压式土石坝设计规范规定，土质防渗体预留沉降量为最大坝高的 1%，即预留超高 53。 2.2.3.5 拦河坝观测设计 拦河坝观测以沉降位移、渗流量、浸润线观测为主。垂直坝轴布置4 个测压管观测点进行坝内渗流水位观测；布置 6 个位移点观测大坝沉降位移；下游堆石棱体后布置一个三角量水堰进行渗流量观测。 3、结语 幸福水库于 1999 年 10 月开工建设，2002 年 7 月竣工。10 年来管理运行正常；大坝稳定、沉降位移、坝体渗流量都在设计允许的范围内，验证了拦河坝设计的合理性。 附：幸福水库拦河坝标准横剖面图：
