官山水库堆石重力坝枢纽布置及稳定性分析

邓文强

(贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

官山水库位于贵州省安龙县龙山镇境内，距安龙县城44km。水库所在的丫科小河，属珠江流域北盘江水系。丫科小河伏流口以上流域33.5km2，主河道长11.5km。水库总库容446万m3，首部枢纽主要由挡水、泄洪、取水和冲沙兼放空等建筑物组成，为小(1)型水库。水库的建设可以解决安龙县龙山镇、笃山镇总人口18810人的饮水问题和9308亩田地灌溉用水问题，可以增加农民收入，具有显著的经济效益和社会效益。

2 坝址区工程地质条件

建坝河段位于丫科村纳傲组，坝址处河流流向西北至东南，蜿蜒曲折，河谷为不对称“U”形谷，属于侵蚀—剥蚀低中山地貌。两岸坡地形坡度20°～30°，山顶高程左岸1437.00m、右岸1390.00m，两岸山头高出河床194～240m，覆盖层分布于低洼沟谷中。河床高程1195.00～1198.00m。枯水期河床宽一般5～10m，正常蓄水位1211.50m时河谷宽79.57m，其宽高比为4.82。两岸冲沟较发育，多呈西南至东北向展布。坝区出露地层为三叠系上统赖石科组第二段(T3ls2)和第四系残坡积、冲洪积层。坝址河谷为斜向谷，地层分布连续，岩层产状单斜构造，岩层斜向上游偏左，倾角16°。岩石表层节理裂隙较发育，随深度的增加而逐渐完整。强风化带裂隙发育，球状风化，完整性差，岩体呈碎裂状结构，部分呈散体状结构，在弱风化带，裂隙闭合不发育，呈层状结构。岩体中存在软弱夹层结构面，夹层厚2～10cm，属岩块岩屑型，局部为泥质条带。坝址区地下水分为基岩裂隙水和孔隙水两类。

3 坝线坝型分析比选

3.1 坝线比选

根据坝址区地形地质条件，结合现场踏勘及地质测绘，综合勘探及试验资料分析[1-3]，优选两条坝轴线进行研究，即：坝线位于丫科村纳傲组，上坝线距下坝线约265m。上、下坝线其电气、金结、观测等基本相同。因此，坝线选择主要考虑水文条件、地质条件、枢纽布置、移民搬迁、施工条件及边坡5个方面进行综合比较。

3.1.1 水文条件

上坝线坝址以上集雨面积12km2，多年平均径流量738万m3；下坝线坝址以上集雨面积13.1km2，多年平均径流量806万m3。同等规模下，下坝线集雨面积较大，来水量更大，下坝线优于上坝线。

3.1.2 工程地质条件

上坝线河谷为不对称“U”形谷，河床宽约8m。建库后蓄水位1212.3m时河谷宽约180m，高约15m，河谷宽高比10.7，右坝肩下游分布有河谷，河谷与坝线交角较小；主要处在第三亚段(T3ls2-2)：页岩、砂岩，砂岩所占比例约10%～20%；河床冲洪积砂卵石层厚0～1.0m，强风化层厚度3～9m，弱风化层厚度18～35m；岸坡残坡积覆盖层厚度0～4.0m；无崩塌堆积体分布，右岸下游有与坝线小交角河谷分布，抗力岩体风化厚度大。坝址开挖覆盖层与强风化层较厚，工程边坡失稳问题突出。下坝线河谷为不对称“U”形谷，河床宽约15m。建库后正常蓄水位1211.5m时河谷宽约89m，高约16m，河谷宽高比5.6，左坝肩下游河谷与坝线斜交；主要处在第二亚段(T3ls2-2)：砂岩、页岩，砂岩所占比例约70%～85%；河床冲洪积砂卵石层厚0～0.8m，强风化层厚度1.0～6m，弱风化层厚度11～16m；岸坡残坡积覆盖层厚度0～2.0m；无崩塌堆积体分布，抗力岩体风化厚度大。坝址开挖覆盖层与强风化层相对较薄，左坝肩分布少量危岩体。从地形、持力层、风化状况、不良物理地质现象等方面分析，下坝线均优于上坝线。

3.1.3 枢纽布置

上坝线坝轴线长274.18m，坝顶高程1215.30m，最大坝高36.00m；坝轴线长159.69m，坝顶高程1213.20m，最大坝高24.6m。下坝线优于上坝线。

3.1.4 移民搬迁

上坝线淹没面积为1086.73亩，移民搬迁人口为336人；下坝线淹没面积为1037.754亩，移民搬迁人口为240人。下坝线优于上坝线。

3.1.5 施工条件及边坡

上坝线右岸边坡高24.85m，左岸边坡高32.76m；两坝肩边坡较高，施工难度及工程量较大；下坝线右岸边坡高19.92m，左岸边坡高12.99m；两坝肩边坡较低，施工难度及工程量较小。下坝线优于上坝线。

从水文、地质、移民安置、水工、施工及边坡5个方面进行综合比较，下坝线均优于上坝线。下坝线左右岸地形完整，左右岸地形为不对称“U”形河谷，岩溶不发育，属于隔水性岩组，无构造破坏，蓄水条件好，优选下坝线作为官山水库坝线。

3.2 坝型比选

坝址区具备修建堆石坝和重力坝的基本条件，但堆石坝永久占地投资要比重力坝高，重力坝方案较优[4]。工程实践中重力坝主要包括常规混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝、混凝土埋石重力坝、砌石重力坝和堆石混凝土重力坝等类型。

坝体结构稳定方面：五种坝型基本相当。

工程区建筑材料方面：砂石料场位于水库下游东南面，距坝址直线距离约8.5km，质量和储量均能满足以上坝型建坝需求，有公路直通坝址，交通条件较好。

施工条件方面：常规混凝土重力坝对施工机械化要求相对更高，同时其施工全程温控要求较为严格，不适宜小规模重力坝。

投资指标和施工进度方面：砌石重力坝人力投入较大，施工进度相对较慢，且人工费用较高。堆石混凝土重力坝的施工不仅能很好利用当地建筑材料以及施工机械等，施工工艺及工序相对简单、人工费用少，施工进度较快，而且施工温控、质量检验与验收较为简单[5-7]。

鉴于官山水库工程规模不大，对施工机械化及温控要求均不高，同时为了充分利用当地建筑材料，方便工程管理及合理安排施工进度，结合工程特性，设计优选C15自密实混凝土堆石重力坝(以下简称堆石重力坝)与C15细石混凝土砌毛石重力坝(以下简称砌毛石重力坝)作为重力坝的代表坝型作进一步比选，比选结果见表1。

表1 堆石重力坝和砌毛石重力坝坝型对比

从表1可知，堆石重力坝虽较砌毛石重力坝费用高26.53万元，但其所用人工少1.81万工日。为方便施工管理，保证施工进度，减少后期管维费用，优选堆石重力坝坝型。

4 堆石重力坝枢纽布置

4.1 挡水建筑物

大坝为C15自密实混凝土堆石重力坝，坝轴线方位角38°18′9″，顶长159.69m，坝顶高程1213.20m，最大坝高24.6m，坝顶宽度5.0m；坝顶上游面设C25钢筋混凝土防浪墙，防浪墙为直墙，厚0.5m，高出坝顶1.2m，顶部高程1214.40m；坝顶下游面设C20预制混凝土栏杆，栏杆高1.2m；建基面高程1188.60m，坝底宽41.97m；上游坝面设C25W4F100钢筋混凝土防渗面板，折坡点高程1204.20m以上铅直，厚0.8m，折坡点以下迎水面坡比为1∶0.2，背水面为1∶0.1，防渗面板最大底宽为2.51m；下游坝面折坡点高程1210.50m，以上铅直，以下坡比1∶0.8；基础C20混凝土垫层，厚1.5m，最大水平宽度23.28m。

4.2 泄洪建筑物

坝顶表孔开敞式溢洪道布置在坝顶桩号坝横0+087.50～坝横0+123.30之间，溢流坝段总宽度35.5m，堰顶高程为1211.50m，溢流堰4孔，净宽28m，堰上最大水深为1.4m，设置5.0m宽交通桥，边墩厚为1.5m，中墩厚为1.5m，底流消能。

4.3 取水建筑物

取水建筑物布置在大坝右坝段，轴线中心桩号坝横0+076.30，采用塔式取水口形式，进口底板高程1200.79m，设拦污栅、检修闸门和工作闸阀，孔口尺寸为b×h=0.8m×0.8m，塔身平切截面尺寸B×L=5m×7m，塔顶高程1213.20m；在塔内埋DN200螺旋焊缝钢管作为通气管，位于检修闸门后，与取水管焊接连通。

4.4 冲沙兼放空建筑物

冲沙兼放空孔采用坝内穿孔形式，轴线中心桩号坝横0+084.30m，进口底板高程1197.50m，顶板高程1199.00m。进口设平板检修闸门、出口设弧形工作闸门，在塔内埋DN300螺旋焊缝钢管作为通气管。出口设挑流消能工，反弧半径2.9m，挑角15°，挑射鼻坎顶高程1197.5m，最大挑射距离19.76m，挑流入下游消力池。设计最大冲沙放空流量24.3m3/s。

5 大坝结构设计计算

5.1 坝顶高程确定

官山水库校核洪水位为1212.90m，设计洪水位为1212.50m，正常蓄水位为1211.50m。按《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程，计算得到的防浪墙顶高程成果见表2。

表2 防浪墙顶高程计算成果

根据表2计算成果，以校核洪水位控制坝顶高程[8-9]，防浪墙高程应大于等于1213.98m。另外，根据《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)，交通桥横梁底部高程应高于水库校核洪水位0.3m，即横梁底部高程1213.20m，由此确定坝顶高程1213.20m，相应防浪墙顶高程1214.40m。两者取大值，最终确定坝顶高程1213.20m，防浪墙顶高程1214.40m。

5.2 大坝应力及稳定性分析

5.2.1 坝体应力分析

坝体应力按材料力学法进行计算，成果见表3。

表3 坝体应力复核成果 单位：MPa

从表3可知大坝基底均为压应力，未出现拉应力，压应力满足地基承载力要求。

5.2.2 坝体抗滑稳定分析

官山水库淤沙浮重度16.5kN/m3，内摩擦角15°；坝体重度按23.5kN/m3计；扬压力折减系数α1=0.25。

a.坝基浅层抗滑稳定。坝体抗滑稳定计算主要核算坝基面滑动条件[10]，按《砌石坝设计规范》(SL 25—2006)中的抗剪断强度进行计算，成果见表4。

表4 坝基浅层抗滑稳定分析成果

b.坝基深层抗滑稳定。坝基深层滑动模式以①组裂隙走向横穿河谷，与坝轴线走向以6°角相交。②组裂隙走向斜穿河谷，与坝轴线走向以52°角相交。③组节理走向与坝轴线以80°角相交。岩层缓倾左岸偏上游。大坝深层滑动模式Ⅰ以①组裂隙为后缘拉裂面，②、③组裂隙为侧向切割面，以剪断岩体为底滑面，向下游岩层层面滑动。滑动模式Ⅱ以①组裂隙为后缘拉裂面，②、③组裂隙为侧向切割面，以剪断岩体为底滑面，向下游剪断岩体。坝基深层滑动模式见图1。

图1 坝基深层滑动模式

分析得到的大坝坝基深层抗滑稳定安全系数计算成果见表5。

表5 坝基深层抗滑稳定分析成果

6 结 论

官山水库坝址处于河湾地带，岩层倾向上游偏左岸，倾角为16°。坝基砂岩持力层岩体中存在软弱夹层及结构面，厚2～10cm，属岩块岩屑型、岩屑夹泥型，沿岩层产状顺层发育，对坝基抗滑稳定不利。经坝基固结灌浆和帷幕防渗等处理后，具备建库蓄水条件。鉴于水库工程规模不大，对施工机械化及温控要求均不高，设计优选地形地质适应性强、施工工期短和后期管维费用低的下坝线堆石重力坝方案。分析表明：在不同运行工况条件下，大坝整体应力表现良好，坝基抗滑稳定满足规范要求。