三块田水库混凝土砌石重力坝设计计算

三块田水库混凝土砌石重力坝设计计算
冯建江
【摘要】三块田水库是一座以灌溉为主兼人饮的C10细石混凝土砌毛石重力坝，最大坝高29.2m。

由于原坝址上下游地质条件较复杂不适宜大坝建设，结合工程特性，对采用原坝址的坝型、枢纽布置和坝体结构进行了深入设计研究。

推荐浆砌石重力坝，坝身溢洪道泄洪设计方案。

经多次优化调整后，坝址及坝型选择、枢纽建筑物布置、坝体结构、坝基处理等均满足设计规范要求，为工程投资决策提供了重要依据。

%The SanKuaitian reservoir dam is a C10 fine aggregate concrete rubble masonry gravity dam which the maximum height of 29.2m with functions of irrigation and drinking water supply.Since the geologic condi-tion of the original dam upstream and downstream area is complicated ,not suitable for dam construction ,com-bining the project characters,the deep design research for dam type,dam hydro building layout and dam structure based on the original dam site has been done.The masonry gravity dam ,and spillway release flood on dam design scheme has been recommended.After doing some optimization and adjustment of the design scheme,the dam site and dam type,the dam building layout,the dam structure and the foundation treatment can meet the design standard requirements ,it provides an important reference for project investment decision.
【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2015(000)003
【总页数】4页(P10-13)
【关键词】首部枢纽;灌溉;砌石堆石坝;稳定性;帷幕灌浆
【作者】冯建江
【作者单位】贵州省黔西南州水利电力勘测设计院，贵州兴义 562400
【正文语种】中文
【中图分类】TV641.3
1 工程概况
三块田水库位于晴隆县东北部的长流乡长流村境内,河流属珠江流域北盘江一级支
流长流小河上游河段。

水库任务以灌溉为主，人饮为辅,设计灌溉面积 1 500 亩，
灌区主要分布在长流乡的长流和西流2 个村民组；人饮主要以长流乡镇居民为主。

水库校核洪水位1 272.6m，总库容24.6万m3，正常蓄水位为1271.5m，相应
库容为20.4 万m3，最大坝高29.2m。

设计灌溉面积1 500 亩。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）第2.1.1 款的规定，水库总库容大于0.001亿m3 小于0.01 亿m3，工程为小(2)型水库，工程等别V 等[1]-[2]。

2 坝址地形地质条件
坝址原地形为不对称的“V”型谷，大坝填筑后左右岸坡较缓，边坡稳定，多年来未见破坏现象。

坝区一带出露地层为中生界三叠系中统关岭组（T2g1）地层，地
貌具有岩溶地貌特征，整体具有山盆期地貌特点。

出露地层岩性为灰色薄至中厚层白云岩、泥质白云岩夹少量紫色薄层泥岩。

白云岩：灰色，岩质较硬，岩石完整，岩芯柱状；泥质白云岩：灰色，岩质较硬，岩石较完整，岩芯呈块状和短柱状；紫色薄层泥岩：岩质较软，岩石较完整，岩芯呈块状和短柱状。

根据钻探情况：第四
系覆盖层为耕植土、杂填土、淤泥、红粘土，厚度0-13.4m；基岩表层为强风化，岩石较破碎，岩芯采取率较低，渗透性强；中风化岩石较完整，但受构造的影响，节理裂隙较发育，局部渗透性较大；原大坝建于强风化层上，坝基和坝肩存在渗漏现象，须进行防渗帷幕灌浆处理[3]。

3 混凝土浆砌石重力坝结构布置
3.1 坝址选择
大坝由于地形条件限制，原坝址上下游均宽缓，加之地质条件较复杂，不适宜大坝建设，考虑在原有坝区进行方案优化，即：①在原有老坝上进行增高扩建；②在原坝址上将老坝体撤除，将撤除的坝体料及库内淤积物作为以后的土地复垦。

利用原坝址新建一挡水坝。

经方案比较：老坝坝体填筑材料物理力学指标偏低，渗透率较强，防渗较差，若进行加高扩建，坝体稳定性较差渗漏严重，土坝坝顶不能过流，还需设置泄洪洞。

综合考虑推荐撤除老坝坝体另行新建，新建大坝坝基座落于中风化层基岩内，减小坝基渗漏和保证大坝安全。

3.2 混凝土浆砌石重力坝枢纽平面布置
从坝址区的地形地貌和地质情况看，坝址区基岩出露，岩性以白云岩和泥质白云岩为主，左坝肩上部约300m 处有白云质灰岩和灰岩出露，其质量和储量以及地基
承载力均能满足工程需要，取料也较容易，施工难度也较小，适宜修建浆砌石重力坝。

同时，可以在坝上修建溢流面，充分利用浆砌石重力坝坝身泄洪的优点[4]。

水库大坝枢纽由浆砌石重力坝、大坝中部溢洪道、右岸取水兼放空管等组成，枢纽平面布置如图1 所示。

图1 浆砌石重力坝枢纽平面布置
3.3 主要水工建筑物设计
3.3.1 挡水建筑物
大坝为混凝土浆砌石重力，大坝坝轴线位于原坝轴线上，其坝顶高程1273.5，坝
顶宽5m,坝底宽31.0m。

右岸非溢流坝段桩号从0+000―0+051.5，溢流坝段
0―072.5.0―0+080.5；左岸非溢流坝段0+080.5―0+116.933，两岸非溢流坝段总
长106.933m。

上游坝坡从1273.5m 至1259m 为垂直段，1259m 至1246.5m 为1：0.2；下游坝坡从1273.5m 至1270.74m 为垂直段，1270.74m 至1246.5m 为1：0.8。

上游侧为M10.0 浆砌C10 混凝土预制块护面，防渗为
C20W6 混凝土防渗，防渗墙厚度按1/20―1/30 倍水头考虑，防渗墙底厚1.5m，顶厚0.5m，防渗墙嵌入基岩1―1.5m，坝体内部采用C10 细石混凝土砌毛石。

为充分降低两岸岩体和地基中的地下水和扬压力[5]，在防渗帷幕的下游2.5m 处设
置坝基排水。

3.3.2 溢洪道
溢洪道布置于大坝中部，其桩号为0+072.5―0+80.5.设1 个表孔，表孔宽度5m，堰顶高程1 271.5m，边墩厚1.5m，溢流前沿宽5m。

溢流堰采用WES 型实用堰，堰面方程为y=0.362x1.85。

坝顶设交通桥，堰面采用1：0.8 的斜坡相连，反弧
半径R=7m，出口采用挑流消能，挑流鼻坎最低点高程1 256.16m，挑流鼻坎高
程1 257.00m，挑角20°最大下泄流量为12.8m3/s。

为防止水流对溢洪道的冲刷,使溢洪道能满足抗冲要求，溢洪道溢流面板采用C20 钢筋砼现浇,挑流段至消力池底板。

开挖到设计高程后,在基岩面上现浇C20 砼防冲,每隔10m设一沉降缝；导
水边墙采用C20 钢筋混凝土浇注，溢洪道总长22m。

3.3.3 取水兼放空管
取水口位于坝体右侧，取水口坝轴线桩号为0+36.5，取水口底板高程为1
259.21m，取水型式为坝内埋管，取水管管径为Φ800，坝内埋管管长35m，在取管进口设置拦污栅及检修闸门，取水管出口设Φ800 工作闸阀。

放空冲砂底孔布置在坝体中部，冲沙底孔坝轴线桩号为0+51.5，冲沙底孔进口底
板高程为1 258.00m，闸门井型式为塔式，进口设一道检修钢闸门和一道工作钢
闸门，闸门井外包C20 钢筋砼（尺寸6×6m）。

底孔断面型式为矩形，孔口尺寸1.0×1.0m（b×h），底孔采用C20 钢筋混凝土浇注，C20 钢筋混凝土厚0.5m，全长35m，最大冲沙流量2.8m3/s。

4 混凝土浆砌石重力坝结构优化设计计算
4.1 大坝坝顶高程
三块田水库设计标准（P=0.5%）洪水位为1 272.6m，最大下泄流量12.8m3/s，校核标准（P=5%）洪水位为1 272.3m，最大下泄流量8.28m3/s，水库总库容24.6 万m3。

根据来水及用水调节计算，水库正常高水位1 271.5m，溢流堰顶高程与正常高水位一致为1 271.5m，设计洪水位1 272.3m，校核洪水位1 272.6m。

计算风速正常情况取W=21m/s，校核情况取W=14m/s，计算吹程D=300m，
坝顶高程按正常运用情况和非常运用情况[5]分别计算得坝顶高程成果如表1 所示。

表1 坝顶高程计算成果表计算工况波高（2 mh）（5%）波高（2 mh）（1%）波（长m）λ 高（度m）h0坝前（水m）深H1超（高m）A洪（水m）位坝
顶（m高）程正常运行 0.5 0.62 5.97 0.131 17.3 0.3 1272.30 1273.231非常运行 0.3 0.373 3.98 0.072 17.6 0.2 1272.60 1273.172
表1 可知，校核洪水位情况下防浪墙顶高程为1 274.1m，设计洪水位防浪墙顶
高程为1 274.5m。

根据规范坝顶高程不低于校核洪水位1 273.1m，经比较，取
坝顶高程为1 273.5m，防浪墙顶高程为1 274.7，防浪墙高1.2m。

防浪墙采用
C10砼，顶宽0.5m，底宽0.5m，总长为117.0m。

4.2 大坝坝体结构稳定计算
大坝上下游边坡均较缓，胶凝材料为C10 细石混凝土，砌体材料为块石，块重不
小于25kg，块厚不低于20cm，砌体容重2.23t/m3，砌体自身重量较大，砌体
结构也较紧密，故该大坝无沿砌石体本身的滑动可能；沿垫层砼(地基)与基础接触
面的滑动不考虑；坝体抗滑稳定最薄弱的环节只有沿坝身与垫层砼(地基)接触面，进行抗滑稳定计算时主要考虑沿浆砌石体与垫层砼接触面的滑动。

采用刚体极限平衡法进行稳定性分析[6]，计算成果如表2 所示。

表2 大坝坝体结构稳定计算成果坝段工况正常蓄水位设计洪水位校核洪水位溢流坝K 1.31 1.16 1.17 σyu（kPa） 10.3l 7 11 7.27 σyd（kPa） 20.06 24.17 24.16非溢流坝K 1.27 1.06 0.98 σyu（kPa） 11.9 8，09 5.73 σyd（kPa）
17.6 22.64 25.19
表2 可知，大坝稳定计算安全系数均大于规范要求的1.05 要求，坝体应力不会发生塑性破坏的，坝体是安全的。

4.3 坝体帷幕灌浆防渗处理
坝基及坝肩渗漏主要是强风化层及岩体裂隙产生的渗漏。

根据钻孔压水试验情况，渗漏严重，部分试验段全孔注入，无法升压，经分析主要是岩体裂隙所造成，应对坝基及坝肩一带进行防渗处理。

根据坝区渗漏的具体情况、岩性及钻孔压水试验成果，建议帷幕线左坝肩沿坝址至右坝肩布置，左坝肩沿长15m，右坝肩沿长15m。

单排布孔，两坝肩终孔间距为3m，坝基段终孔间距为2m，在断层破碎带终孔间距为1.5m,坝基帷幕深度以达
到弱风化层内吕荣值不大于8Lu 为限，左、右坝肩帷幕以穿过强风化层吕荣值不
大于10Lu 为下限，部分地段以岩性控制帷幕下限。

设计帷幕线沿坝轴线方向布置，左坝肩延伸15m，右坝肩延伸15m，设计帷幕线长120m，单排布孔，两坝肩终孔间距为3m，坝基段终孔间距为2m，在断层破碎带终孔间距为1.5m,排距为
3m，设计布孔60 个，另设6 个检查补强孔(未计入工程量)，合计进尺2079m，基岩灌浆1933m，无效进尺146m。

造孔和灌浆分三序次进行，一序孔终孔间距
为12m，二序孔终孔间距为6m，三序孔终孔间距为3m，灌浆采用自上而下，分段灌注的方法，段长为5m，并采用孔底循环的方式。

灌浆材料基岩选用425#普
通硅酸盐水泥进行灌注，当吸浆量较大，超过规定值时可加少量水玻璃或细砂。

整个灌浆工艺应符合《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T5148-2001。

孔口
压力表，控制在0.4～0.6MPa，当单位吸浆量较小时，可采用一次加压，或让其
自行升压，如由于压力较大，而出现地表冒浆，孔口返浆或单位吸浆量突然增大等情况，则适当降低压力，压力达到设计值后，当注入率不大于0.4L/min，持续60 分钟不变，则可结束灌注。

5 结语
结合工程特性，经现场踏勘和稳定性计算，优化获得技术可行、经济优越的设计方案。

1）水库蓄水条件较好，库首因清基不彻底坝肩、坝基出现渗漏,坝体填筑质量较差，导致坝体表面有沉降现象。

推荐撤除老坝体另行新建浆砌块石重力坝。

2）根据坝址地形地质条件,结合大坝建基面、坝体填筑材料及现场施工等因素，经设计方案的优化调整，水库枢纽总体布置方案为：C10 细石混凝土砌毛石重力坝+坝面溢洪道、放空冲沙底孔+取水管道。

大坝为砼砌毛石重力坝，最大坝高
29.2m。

3）溢洪道的WES 实用堰，布置在坝体中部；取水型式为坝内埋DN800 钢管，
取水口位于坝体右侧。

4）经多次方案优化调整和抗滑稳定性计算复核，坝体各结构特性均满足设计规范要求，为工程安全可靠施工建设提供了重要技术指导。

□
参考文献：
[1]黔西南州水利电力勘测设计院.晴隆县长流乡三块田小型农田水利建设工程实施
报告[R]，2012.
[2]彭成山，王甜，张东东.浆砌石重力坝应力分析研究[J].中国水运：下半月,2010，(05)：122-123.
[3]傅长锋，任德记，高阳峰.浆砌石框格填碴病坝加固及其受力状态研究[J].水科学与工程技术，2010，(02)：28-30.
[4]董大筑.浆砌石重力坝钢筋混凝土防渗面板加固设计要点分析[J].水利天地，2013，(08)：46-47.
[5]丁惠林，贾树臣，田彦中.浆砌石坝灌浆加固技术[J].水利科技与经济，2009，(01)：91-92.
[6]李世永.罗圈背水库浆砌石重力坝加固设计参数初选[J].东北水利水电，2013，(01)：6-7.。