低水头宽河谷土石坝紧凑型枢纽布置_赵芳.pdf

河南水利与南水北调 2023年第2期勘测设计低水头宽河谷土石坝紧凑型枢纽布置赵芳，雷盼（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）摘要：在水利工程建设中，水库枢纽布置和设计是非常重要的研究课题。枢纽布置及形式选择影响着工程量、投资、运行及安全，是枢纽设计中重点关注的问题。结合清镇市戈家寨水库工程的布置特点，对低水头宽河谷土石坝紧凑型建筑物布置方式进行了论述。关键词：戈家寨；水利工程；枢纽布置中图分类号：TV61文献标识码：A文章编号：1673-8853（2023）02-0063-03Compact Hub Arrangement of Earth and Rockfill Dams in Low Head Wide River ValleyZHAO Fang，LEI Pan（Guizhou Design Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guiyang 550002,China）Abstract：In the construction of water conservancy project,the layout and design of reservoir hub is a very important research subject.The layout and form selection of the hub affect the quantity,investment,operation and safety of the project,which are the key issues inthe design of the hub.Combined with the layout characteristics of Gejiazhai Reservoir Project in Qingzhen City,the layout of compactbuilding of earth-rock dam in the valley with low water head and wide river is discussed in this paper.Key words：Gejiazhai;water conservancy project;hub arrangement1研究背景水库枢纽的布置主要结合坝型进行分析选择。水库挡水坝型一般分为土石坝、重力坝及拱坝。就土石坝而言，由于土石坝一般仅作为挡水建筑物，其他泄水、放空、取水等建筑物需根据自身功能、地形条件等设置在两岸或库内。在贵州省“十二五”规划已建和在建的3座大型水库、55座中型水库中，土石坝大部分采用了河道上布置挡水坝蓄水成库，其他枢纽建筑物左右岸分别布置的枢纽方案。但这种布置方式，其突出的缺点是建筑物较多，而又纵横布置，给设计和施工都带来了一定的难度。清镇市戈家寨水库在进行枢纽布置设计中，经过方案分析比较，合理利用地形，提出了一种低水头宽河谷土石坝紧凑性建筑物布置的新型式。2工程概况清镇戈家寨水库位于清镇市西部猫跳河一级支流暗流河上，是暗流河流域四级梯级开发的第三级。戈家寨水库工程主要任务是：工业园区、集镇供水，农田灌溉。水库校核洪水位1 177.75 m，总库容2 266万m3，正常蓄水位为1 175.50 m，相应库容为1 819万m3，最大坝高35.50 m，工程建成后，年供水量2 276万m3，灌溉面积114.67 hm2。坝址河谷为不对称“V”型纵向谷，谷底宽29.70 m，平水期河水位 1 153.30 m。在正常蓄水位 1 175.50 m 时，河谷宽178.80 m，宽高比7.01。两岸一级阶地较发育，左岸宽1525 m；右岸宽5070 m。两岸上下游均有与河流正交的冲沟发育，受冲沟切割，山体略显单薄。两岸自然边坡以岩质边坡为主，坡体稳定。两岸阶地及河谷第四系覆盖层广布，主要为残坡积粘土夹碎石及砂卵石层，厚37 m。下伏基岩为三叠系下统茅草铺组第四段浅灰、灰白色薄至中厚层泥晶白云岩及溶塌角砾岩，垂直强风化层厚度：左岸57 m，河床34 m，右岸58 m；弱风化层厚度：左岸820 m，河床89 m，右岸1015 m。3枢纽布置选择水库枢纽布置设计中，如果选择采用土石坝做为推荐的坝型，由于土石坝体仅能作为挡水建筑，需要设置独立的溢洪系统、取水系统、放空系统等。为了弥补建筑物较多的弊端，中小型水库土石坝枢纽选择中往往采用功能合并、多洞合一等的布置方案，以减少投资。如贵阳市红岩水库，中型，坝高52.40 m，河床面板坝挡水，根据地形条件，水库供水发电功能，供水方向、厂房布置等条件采用了左岸供水发电系统、右岸岸边开敞式溢洪道和导流兼放空隧洞的布置形式。又如德江县长丰水库，坝高36.30 m，河床面板坝挡水，根据地形条件、水库功能，供水方向等采用了右岸岸边开敞式溢洪道和导流兼取水放空隧洞的布置形式。但上述土石坝的布置方式施工工作面多，施工道路纵横交错，施工过程干扰大；且在运行管理方面也存在一定的风险。作者简介：赵芳（1980），女，高级工程师，研究方向：水工结构。63河南水利与南水北调 2023年第2期勘测设计戈家寨水库工程在进行土石坝枢纽设计时，首先考虑合理利用右岸地形设置岸边溢洪道。按照常规的布置，选择在左右岸再布置放空取水等系统，并在溢洪道和坝体间设置隔墙以满足趾板、面板和溢洪道闸墩的结构要求。考虑到戈家寨水库河谷较为宽阔，为中低坝，且下伏基岩为硬质岩，设计将溢洪道和坝体间的隔墙加厚后叠放供水取水口及放空底孔。这样的布置有效的解决了由于地形条件带来的坝型选择的局限性，使得整个枢纽布置紧凑合理，兼具经济性。枢纽布置见图1。图1枢纽布置图4趾墙及底孔取水口段稳定但是隔墙加厚作为重力坝段叠放取水口和放空底孔的枢纽布置方案，对于总体布置及建筑物来说，也带来了一些需要解决的问题。如隔墙作为重力坝段自身的稳定问题；隔墙左侧与大坝衔接，形成高趾墙，其高趾墙自身稳定问题等。4.1趾墙的稳定一般面板堆石坝趾板高度小于2 m，这种高度的趾板不会构成稳定问题。但如上述所示，戈家寨水库选择将溢洪道与大坝之间的隔墙加厚作为重力坝段来叠放放空底孔及取水口，由于放空底孔高程较低，在右岸大坝及隔墙之间形成高趾墙。高趾墙的体型设计及稳定性是需要关键研究的问题。4.1.1趾墙结构趾墙采用与隔墙加厚段结合的形式，上游部分为独立趾墙，顶部高程1 172.24 m，下游与隔墙结合为整体式。趾墙布置俯视图及立视图见图2。下游独立趾墙长19.26 m，最大高度18.24 m，采用墙式结构，取水口一侧垂直，底板设1.50 m厚前趾，顶部宽2 m，坝体一侧从顶部设置2 m垂直段后，与面板相接的下部采用11.40放坡。图2趾墙布置俯视图及立视图4.1.2趾墙的稳定计算趾墙稳定根据 混凝土重力坝设计规范 水工挡土墙设计规范 的相关规定，进行了稳定及应力计算：4.1.2.1计算参数地质专业提出坝基岩体的力学参数见表1。4.1.2.2计算断面根据趾墙结构形式，选取多个不利段面进行计算，见图3。图3计算简图4.1.2.3计算方法及结果采用刚体极限平衡法进行趾墙稳定计算，采用材料力学计算方法进行应力计算，并计算基本组合和偶然组合。经计算，在各种工况下，趾墙的抗滑稳定均满足规范要求，趾墙的抗倾覆稳定均满足规范要求，趾墙基础无拉应力产生，最大压应力小于地基允许承载力。4.2底孔及取水口段的稳定4.2.1布置形式此工程在溢洪道及堆石坝体之间的隔墙加厚后叠放放空底孔和供取水管，放空底孔段宽8 m，为重力坝段，与面板堆石坝段及溢洪道段分缝，与面板堆石坝段分缝止水采用趾墙周边缝，与溢洪道段分缝止水采用铜片止水形式。此段采用岸塔式取水建筑物型式，放空底孔置于下部，放空底孔段分为井筒段、底孔段、弧形闸门段及消力池段出口设置工作弧形闸门，后接12.50斜坡的进入溢洪道消力池。并在底孔斜坡段与溢洪道泄槽段之间设置C25钢筋混凝土闸墩，以分隔溢洪道与底孔泄水。有效的利用了溢洪道消力池，又自成体系，互不影响。取水口置于底孔之上，进口设置事故闸门一扇，后通过渐变段接取水管，取水管从溢洪道底板穿过后接提水泵站。底孔及取水口段布置见图4。4.2.2稳定计算底孔及取水口段为重力坝段，根据 水利水电工程进水口计规范 的相关规定，计算稳定及应力计算，地质参数采用上述名 称泥 晶白云岩地层代号T1m4内容弱风化岩体混凝土/基岩层面裂隙面地基承载力R/kPa2 0002 500抗剪断强度参数f0.750.800.800.850.550.600.450.50C/MPa0.600.650.700.750.100.150.08抗剪强度参数f0.600.650.550.600.450.500.40表1坝基岩体的力学参数表64河南水利与南水北调 2023年第2期勘测设计坝基相关参数，采用刚体极限平衡法进行稳定计算，采用材料力学计算方法进行应力计算，并计算基本组合和偶然组合。经计算，在各种工况下，此段抗滑稳定均满足规范要求；抗倾覆稳定均满足规范要求；此段基础无拉应力产生，最大压应力小于地基允许承载力。5结语清镇市戈家寨水库枢纽采用面板堆石坝+右岸岸边开敞式溢洪道+右岸放空底孔及供水取水口的水源枢纽布置方案。将溢洪道与坝体堆石之间隔墙加厚后叠放供水取水口及放空底孔。有效的解决了由于地形条件带来的坝型选择的局限性；有效的弥补了土石坝枢纽布置中建筑物纵多交叉施工的缺陷，使得整个枢纽布置紧凑合理，兼具经济性。对低水头宽河谷的地形条件提供了一种新型的枢纽布置形式。由于隔墙加厚后形成重力坝段，存在自身的稳定问题；另外其与坝体相邻一侧，形成高趾墙，高趾墙的稳定问题也是水库大坝成败的关键。隔墙加厚形成的重力坝段通过满足底孔及取水口结构及运行需要，确定合适的体型及断面，复核其稳定及应力后满足相关规范要求。合理的考虑作用力、选取多个计算断面比较计算后，选取合适的高趾墙形式，能够解决高趾墙的稳定问题。参考文献：1 混凝土重力坝设计规范：SL319-2018 S.北京：中国水利水电出版社，2018.2 水工挡墙设计规范：SL379-2007 S.北京：中国水利水电出版社，2007.3 清镇市戈家寨水库工程初步设计报告 R.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司.2016.收稿日期：2022-11-16编辑：雍友玉图4底孔及取水口段布置图65