强岩溶发育地区水库工程建设经验的探讨

强岩溶发育地区水库工程建设经验的探讨
摘要强岩溶发育地区筑坝成库历来是水库工程建设的难题之一。

湖北省鹤峰县蛤蟆颈水库工程修建在三叠系嘉陵江组强岩溶发育地区，由于较为复杂的工程地质条件，工程的实施经历了10余年不断实践和探索的过程，最终得以建成并发挥了较好的社会效益与经济效益。

水库建成后经历了10余年安全运行的实践检验，证明本工程是成功的。

该水库的建在水文水资源、工程地质条件与水工建筑物布置等方面具有一定的特殊性，从全国范围来看，又具有一定的代表性。

本文就水库设计洪水计算方法与水工建筑物合理布置以适应地形地质条件两个方面进行探讨。

关键词强岩溶发育地区；设计洪水；水工建筑
0 引言
蛤蟆颈水库工程枢纽位于湖北省西南部恩施土家族苗族自治州内的鹤峰县燕子乡境内，溇水河左岸支流九峰桥河上游，坝址距离鹤峰县城57km，距离恩施州府235km，是一座以发电为主，兼防洪、养殖之利等综合效益的Ⅲ等中型水库工程。

水库所在流域内石灰岩广布，岩溶发育强烈，河流以明暗流交替的形式出现。

通过对该地区岩溶发育规律的调查与研究，在强岩溶发育的区域内探明一处以嘉陵江组溶崩角砾岩分布的岩溶相对不发育地段可作为初步选定的坝址。

经论证在此坝址上拟定并实施修建浆砌石单曲拱坝，大坝最大坝高50.80m，坝顶高程 1 383.80m。

水库正常蓄水位1 381.50m，设计洪水位1 382.98m，校核洪水位1 383.76m，水库正常蓄水位对应库容1 337.5×104m3，总库容1 452.70×104m3。

水库坝址以上控制流域面积97.54km2，坝址以上多年平均降雨量1 771.5mm，多年平均径流总量1.07×108m3。

蛤蟆颈水库自1999年建成以来，为下游提供防洪滞洪库容600余万方，并为桃花山一、二级电站（以明暗流交替的形式跨流域引水）提供1 000多万方调节库容，增加年均发电量1.12亿度，社会效益、经济效益显著。

1 工程建设过程
蛤蟆颈水库的建设过程历时较长，这也是形成其水工建筑物布置具有特殊性的主要原因。

工程初期拟定为堵塞蛤蟆颈暗河入口，利用岩溶洼地成库，旨在保护下游3 500亩农田和120户农户免遭洪涝灾害。

1979年开始堵塞暗河施工，水库渗漏问题一直无法得以解决，但水库滞洪作用明显。

经历近10年的艰苦探索，发现水库主要渗漏在库首9万m2范围内，而在上游约1.5km以上有蓄水的地形、地质条件（嘉陵江组溶崩角砾岩地段），自1994
年开始，在该处修建围堰低坝，作为水库库首防渗补漏工程导流工程，通过导流、蓄水进一步验证该库段蓄水的可能性。

围堰低坝于1995年、1996年分别加高达到坝高12m、22m，其库容分别达到60万m3、230万m3的规模，取得了初步的调节效果，当年即回收了投入低坝围堰的投资；经反复勘察，未发现库水外渗的现象，证实了在该地段筑坝蓄水在技术上是可能的。

通过进一步的地质工作，认定该坝址具有建中坝的地形、地质条件。

鉴于上游原围堰处具有建坝成库条件，且下库防渗补漏还有一段探索的过程，按照规模和效益不变、分级实施、减小风险、提前受益的原则将水库方案作出调整：在原上游围堰低坝基础上，筑坝以形成上库（上库即为目前的蛤蟆颈水库）；下游库首防渗补漏继续实施逐渐形成下库；两库联营统一调度。

最终确定水库挡水建筑物为砌石单曲拱坝，泄水建筑物为坝顶WES实用堰，堰顶高程1 380.10m，6扇2.0m×9.0m（高×宽）平板闸门控制下泄流量，跌流消能。

2 工程地质条件与地基处理
蛤蟆颈水库地处湘西北弧形构造东北端与鄂西南近东西构造的结合部位，以NNE向鹤峰——清水湄向斜为主体，断裂不发育，区内地壳基本稳定。

根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306—2001），境内地震动峰值加速度为0.05g，地震反应谱特征周期为0.35s，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

高岩河和楠木河两条暗河汇流后由于地质条件的改变，形成近向斜轴部发育长3.0km的盲谷，构成蛤蟆颈水库的库盘。

库盘和库壁两侧相当范围内均出露二、三迭系碳酸盐岩类，岩溶发育，大气降水通过落水洞、漏斗潜入地下，形成丰富的地下径流，朝向斜核部汇集，以岩溶泉的形式排泄于盲谷中。

蛤蟆颈库区以T1J2溶崩角砾岩为主，岩溶不发育，岩体透水行微弱，可视为相对隔水岩组。

蛤蟆颈水库位于向斜核部，库盘、库壁多为隔水岩组，库区不会产生严重渗漏。

蛤蟆颈水库坝址河谷狭窄，岸坡较陡，河谷两岸基本对称，下游无较深的横向沟谷切割，基本具备修建中型浆砌石拱坝的地形条件，但大坝是在前围堰的基础上扩建而成，导致两岸坝肩拱座基岩面等高线与拱端内弧切线交角太小，坝肩抗力体不能满足要求，针对地形上的缺陷，在两岸修建了重力墩，右岸为了减小水推力对坝肩的作用，修建了重力式翼墙。

通过对建筑物结构和受力方向的调整，弥补了地形上的不足。

坝基大部分岩体透水性微弱，可视为隔水岩组，坝基不会产生严重渗漏。

但坝址处为纵向河谷，岩层走向与河流流向一致，溶崩角砾岩中常夹有灰质白云岩或灰岩，层间裂隙比较发育，形成坝基渗漏通道，隔水岩组无法利用。

鉴于上述地质缺陷，对水库大坝共进行了两次帷幕灌浆处理，第一次于1999年完成，主要是对坝基接触带和基岩进行防渗灌浆处理，帷幕灌浆深度一般进入基岩25m，并在下游设置了排水孔。

在灌浆过程中对透水性较强地段进行了加深
加密处理，通过帷幕灌浆处理，坝基透水性微弱，从检查孔看，透水率一般均小于1Lμ；第二次于2009年完成，主要是针对坝体渗漏进行的补强灌浆，并深入基岩5m，对接触带进行了复灌。

通过两次灌浆处理，坝体和坝基透水性微弱，满足了中高坝透水率小于3Lμ~5Lμ的要求。

针对两岸坝肩岩体比较破碎，挤压构造片状岩风化较深，性状较差，强度低的情况，对两岸坝肩进行了固结灌浆处理，固结深度进入基岩8m。

通过固结灌浆质量检查，岩体的完整性和力学指标得到了改善。

3 设计洪水分析
由于蛤蟆颈水库属于无长期实测水文资料的中小型水利工程，在设计过程中，其设计洪水的计算方法是按当时适用规范《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-93）的规定，根据暴雨资料推算得出。

根据《湖北省暴雨径流查算图表》、《湖北省可能最大暴雨图集》获得有关暴雨洪水参数设计值，然后采用瞬时单位线法同时考虑岩溶特殊流域，用天坑率（该流域天坑率达96%）进行汇流参数修正，推求不同频率下设计断面洪峰流量及其过程线，计算成果如下：10%频率暴雨洪峰流量237.4m3/s；2%频率暴雨洪峰流量355.5m3/s；0.5%频率暴雨洪峰流量459.9m3/s。

水库10余年的运行观测发现，实际发生的洪水过程与上述成果出入很大，实际观测值仅是计算值的1/4~1/3左右。

进一步分析原因，认为问题出现在对洪水设计规范的理解上。

目前流域洪水预报常用的方法有两种：一是按集总式流域水文模型进行水文计算；二是按分散式流域水文模型进行设计洪水计算。

设计采用的是第一种，其认为流域内的产流、汇流、径流条件比较均匀一致。

然而，虽然蛤蟆颈流域面积不大，但是由于岩溶发育的特殊性，使得其内部的产汇流条件在空间上变化不大，按集总式流域来处理并不合理，计算方法中对天坑率的考虑亦是以偏概全，误差较大。

自1986年以来，水文学家已经研制出了如TOPMODEL、TOPKAPI、MIKE SHE等分布式水文模型，虽然未得到广泛地应用到生产实践中，但对于像蛤蟆颈水库这样特殊的水文条件来说，其模型更为合理。

根据野外调查，将流域内岩溶水系特征相似的区域划分成了108个子流域。

在TOPMODEL模型的基础上，对其地下水文循环部分进行改进，充分考虑岩溶地区水文要素的空间变异性以及地下暗河流动的特殊性，建立适合岩溶地区水文循环的KARST TOPMODEL模型（岩溶地区分布式流域水文模型）计算各子流域的汇流计算，然后通过河网汇流计算得到总流域出口断面的流量过程线。

按此模型计算的洪水成果接近于实测发生洪水，说明该计算方法具有一定的科学性[1]。

需要说明的是，此计算方法填补了岩溶地区洪水过程模拟的空白，但未得到广泛地应用与认可，最终水库的洪水计算成果、泄水建筑物尺寸以及特征水位的拟定均是按照现行规程规范要求进行的。

但无疑此法为广大设计人员提供了新的思路，可作为强岩溶发育地区水库工程建设的指导。

4 特殊的水工建筑物布置
从工程建设过程可以看出，蛤蟆颈水库大坝是对当初防渗补漏工程的围堰低坝进行加厚加高处理而形成的。

在决定修建蛤蟆颈水库之时，该围堰已修至22.0m，通过技术方案比较认为，对该围堰进行加高处理的工程投资较重新拟定坝线修建拱坝的工程投资要节约，所以最终选定将围堰加高形成对称的单曲拱坝坝型。

大坝坝顶高程1 383.80m，底部高程1 333.0m，最大坝高50.80m，拱坝采用定圆心定外半径的等厚圆弧体型，设计拱坝外半径Ru=53.25m，在高程 1 345.0m(原围堰顶部高程)以下拱圈中心角由73.5°渐变至101.9°，高程1 345.0m 以上中心角均为101.90m。

坝顶厚度2.5m，坝底厚度13.0m，厚高比0.26。

受原围堰位置的限制，在大坝加高设计中可供选取的拱圈半径较小，还须设置推力墩将拱端荷载传递至坝肩山体。

根据地形地质条件，设置左岸推力墩长度57.5m，右岸43.2m。

推力墩上下游面体形与大坝上下游面保持一致。

按围堰体形加高的拱坝右坝肩与右岸山体的间隙较大，右岸推力墩承受了较大的水推力，结合右岸推力墩的实际体形，经计算认为其无法承受高水头时的水推力，威胁大坝安全。

设计最终增加了右岸挡水翼墙来减少右岸推力墩所受的水推力，以增加拱座的稳定性，同时也便于设置帷幕灌浆。

即在拱坝与推力墩的接头处沿垂直山体等高线方向设置重力式上游挡水翼墙，翼墙顶部同大坝坝顶高程。

推力墩无法承受较大的水推力，须控制翼墙与推力墩之间这部分空间的水位，在推力墩底部设置排水孔。

大坝平面布置见图1。

鉴于结构的复杂性，有必要对大坝进行整体三维有限元分析。

采用ANSYS 大型通用有限元程序进行，计算作用范围纵向取至拱端外一倍坝宽，基底取至1倍坝高。

采用8节点等参单元（六面体单元）或其退化单元（四面体单元）。

共划分单元35 440个、节点18 946个。

其中坝体部分单元12 423个，节点4 602。

图2为蛤蟆颈拱坝有限元网格图。

三维有限元法计算分析成果表明，翼墙、推力墩在各种结构面组合情况的稳定安全系数满足现行规范要求[2]。

5 结论
蛤蟆颈水库工程建设前后经历了数十年，在时间的检验下，工程是十分成功的。

工程所提出的岩溶地区分布式流域水文模型具备一定的先进性，对强岩溶发育地区水库工程水资源合理开发利用有指导意义，需在类似岩溶地区水利水电工程中加以推广应用。

另外，从工程建设的过程来看，该水库水工建筑物的布置最为合理、经济，对当今中小型水库水库选址、水库除险加固等类似的工程提出新颖的思路，具有指导意义。

参考文献
[1]田九如，万军伟，等.岩溶地区水资源评价及合理开发利用研究.湖北省国土资源厅，2007.
[2]田溢，王旭忠，等.湖北省鹤峰县桃花山电站蛤蟆颈水库工程蓄水验收设计工作报告，2010.。