李 涌

（邵陽市水利水電勘測設計院 邵陽市 422000）

1 工程概況

某礦廠引水壩工程位于湖南省新寧縣某鄉(xiāng)境內，資江水系夫夷水二級支流上游，距新寧縣城金石鎮(zhèn)25 km，壩址控制流域面積1.5 km2，壩址以上河流長度1.6 km，河床平均坡降102‰。

本工程興建是以某礦廠生產、生活用水為主，供水規(guī)模為日供水300 m3，根據《水電樞紐工程等級劃分及安全標準》（DL 5180-2003）規(guī)定，工程等級為Ⅴ等，主要建筑物為5 級建筑物，次要建筑物為5 級建筑物，主要建筑物為大壩、放空（沖砂）孔、引水鋼管、上壩公路等組成。

2 水 文

根據水文分析計算，引水壩壩址處20年一遇洪峰流量為22.5 m3/s，洪水總量為20.2 萬m3，200年一遇洪峰流量為28.8 m3/s，洪水總量為30.1 萬m3。

3 工程地質

區(qū)域內地貌類型屬于低山峰脊峽谷，群山連綿，山峰高聳，山頂多呈小峰。區(qū)內地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相應地震烈度為6 度，區(qū)域構造場地穩(wěn)定。

壩址出露地層為：寒武系上統(tǒng)（∈3）褐紅、青灰色中層鈣質板巖，壩基巖體物理力學參數推薦值見表1。

4 大壩設計

4.1 設計基本資料

該壩為混凝土埋塊石重力壩，工程等級為Ⅴ等，大壩按5 級建筑物設計。根據《水電樞紐工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2000）確定：洪水重現期按20年一遇設計，200年一遇校核。

表1 壩基巖石物理力學指標推薦值表

（1）壩址特征水位與特征流量。

正常蓄水位：631.55 m，相應下游水位：621.10 m。

設計洪水位：632.67 m，相應下游水位：621.23 m，相應的下泄流量：22.5 m3/s。

校核洪水位：632.87 m，相應下游水位：621.36 m，相應的下泄流量：28.8 m3/s。

死水位：629.00 m。

（2）泥沙資料。

對現有水庫中的泥沙進行分析計算，壩址處含沙量0.003 kg/m3，多年平均輸沙量為0.19 萬m3。

（3）水文氣象資料。

根據流域內各氣象站資料統(tǒng)計，歷年平均氣溫17℃，極端最低氣溫-8.8℃，極端最高氣溫39℃，多年平均相對濕度81%。

壩址以上流域多年平均降雨量1330.1 mm。

平均風速2.1 m/s，最大風速16.3 m/s。

（4）地震烈度。

壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，不考慮地震設防。

（5）地基特性及設計參數。

①壩基巖體物理力學指標見表1。

②材料容重。混凝土：2.4 t/m3、混凝土埋塊石2.2 t/m3。

③安全系數。基本組合：K≥1.0 （抗剪），K≥3.0（抗剪斷）；特殊組合：K≥1.0（抗剪），K≥2.5（抗剪斷）。

4.2 大壩斷面擬定

大壩斷面尺寸：內坡垂直，外坡為折線形，外坡折點高程為632.00 m，折線坡度為1∶0.75，壩頂寬4 m，壩底最大寬度為10.93 m。壩體采用C15 埋塊石混凝土澆筑，臨水面澆0.3 m 厚C20 混凝土防滲面板，建基面澆0.3 m 厚C15 混凝土墊層，溢流面設0.5 m 厚C25 混凝土，引水壩設無閘門自流式溢流壩段，堰為實用堰，堰頂高程為631.55 m，溢流段位于擋水壩中部，采用挑流消能，溢流堰上設一交通便橋連接兩岸。放空建筑物為壩體內現澆C20 混凝土圓管，管徑為0.6 m，管長10.93 m。進水口采用閘門控制，采用PGZ 0.6×0.7 鑄鐵定型閘門，啟閉機采用5 t 螺桿式式啟閉機，進口高程為622.2 m，放水建筑物施工過程中兼作導流。

引水壩正常蓄水位631.55 m，設計洪水位632.67 m，校核洪水位632.87 m。壩頂超高根據《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL 319-2005）及《水工建筑物》中的有關公式規(guī)定計算：

式中 2h1——波浪高度（m）；

h0——波浪中心高出靜水位的高度（m）；

hc——安全超高。設計洪水位0.4 m，校核洪水位0.3 m。

壩址區(qū)多年平均最大風速為16.3 m/s，風區(qū)長度為80 m。對于山區(qū)峽谷水庫，波浪的波高、平均波長采用下式計算：

式中 2h1——波浪高度（m）；

2Li——波長（m）；

vf——計算風速（m/s）；

Df——計算吹程（km）；

H1——平均水深（m）；

h0——波浪中心線超出水庫靜水位的風雍高度（m）。

經計算，設計洪水位與校核洪水位的壩頂高程見表2。

表2 壩頂超高計算成果表 m

計算壩頂高程為633.94 m，確定壩頂高程為634.0 m。

4.3 水力計算

4.3.1 溢流堰過流能力計算

式中 ε——側收縮系數，ε=0.95；

σ——淹沒系數，取1；

m——流量系數，根據a/H 查表得m=0.502；

n——孔數；

b——堰頂凈寬9 m；

h0——堰頂總水頭。

經過計算，設計洪水位時，溢流堰過流能力為22.52 m3/s，校核洪水位時，溢流堰過流能力為28.82 m3/s，均能滿足泄洪要求。

4.3.2 溢流壩段消能計算

根據挑流消能經驗公式估算預取反弧半徑R=3 m。然后對所預定的反弧半徑進行復核。對挑距L、沖坑深Tk進行計算。根據《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL319-2005）挑距按下公式計算：

式中 L——挑射距離（m）；

V1——坎頂水面流速，m/s，按鼻坎處平均流速v 的1.1 倍計算，即（H0為水庫水位至坎頂的落差，m）；

θ——鼻坎的挑角；

h1——坎頂垂直方向水深，m，h1=h/cosθ（h 為坎頂平均水深，m）；

h2——坎頂至河床面高差，m；

φ——堰面流速系數；

q坎——坎頂單寬流量，m3/s；

E——上下游水位差，m。

最大沖坑深度按下公式計算：

式中 Tk——沖坑深度（m）；

q——單寬流量（m3/s）；

H——上下游水位差（m）；

t——下游水深（m）；

k——沖刷系數，取1.25。

計算結果見表3。

表3 最大沖坑深度計算結果

本引水壩壩基為鈣質板巖，堅硬完整，沖坑后坡均緩于1/3 的安全坡比，故認為滿足抗沖要求。

4.4 大壩穩(wěn)定計算

4.4.1 計算工況及荷載組合

本工程位于湖南省新寧縣境內，壩區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，無須進行抗震設防，故按常規(guī)荷載組合如表4。

表4 引水壩穩(wěn)定應力計算工況及荷載組合

4.4.2 計算方法

該壩座落于強風化中帶巖基上，參照有關設計規(guī)范進行壩基抗滑穩(wěn)定及應力計算，計算公式如下：壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數：

式中 k——按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數；

k′——按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數；

∑W——作用于壩體上全部荷載對滑動面的法向分值（kN）；

∑P——作用于壩體上全部荷載對滑動面的切向分值（kN）；

f——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數；

f′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數；

c′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪凝聚力（kPa）。

壩基面垂直正應力：

式中 σy上、σy下——壩基面上、下游邊緣垂直正應力（kPa）；

∑W——作用于計算壩段上全部荷載在壩基面截面上的法向分力總和（kN）；

∑M——作用于計算壩段上全部荷載在壩基面截面形心軸的力矩總和（kN·m）；

T——壩體計算截面沿上下游方向長度（m）。

4.4.3 計算結果

大壩抗滑穩(wěn)定安全系數及壩基面應力計算結果見表5、表6。

表5 非溢流壩段基面穩(wěn)定應力計算成果表

表6 溢流壩段基面穩(wěn)定應力計算成果表

從以上計算成果可知，擬定的溢流壩段及非溢流壩段斷面在各種計算工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數均滿足規(guī)范要求，壩基面應力狀態(tài)均受壓，最大壓應力值為556.88 kPa，基礎承載能力滿足要求。