鄭 源

(遵義水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

魯家壩水庫位于洛安江右岸支流魯家壩溝上游，地處匯川區(qū)團(tuán)澤鎮(zhèn)蒲臺(tái)村境內(nèi)，壩址距團(tuán)澤集鎮(zhèn)4km，距遵義市中心城區(qū)32km。水庫位于魯家壩溝上游，壩址以上流域面積9.1km2，占全流域面積21.2%，河長5.97km，河道平均比降33.2‰，流域形狀系數(shù)0.255，壩址以上多年平均徑流量474萬m3。水庫現(xiàn)狀工程任務(wù)為供水為主，供水范圍為魯家壩灌區(qū)及團(tuán)澤集鎮(zhèn)與周邊農(nóng)村。

根據(jù)供水范圍需水量預(yù)測，至2030年團(tuán)澤集鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村和農(nóng)田灌溉共計(jì)需水量為290萬m3/a，而水庫現(xiàn)狀庫容系數(shù)11.8%，現(xiàn)狀供水量168萬m3/a，缺水量122萬m3/a，缺水率達(dá)到42.1%，缺水問題非常嚴(yán)重，且水庫汛期經(jīng)常溢流，水資源利用不充分。結(jié)合現(xiàn)場踏勘及測繪、地質(zhì)和地勘成果，經(jīng)水資源供需平衡分析、大壩應(yīng)力及穩(wěn)定性分析等論證分析，綜合考慮充分利用現(xiàn)有樞紐建筑物，認(rèn)為對魯家壩水庫加高具有壩址唯一性、技術(shù)可行性和工程投資經(jīng)濟(jì)性。水庫加高后大壩為粘土心墻壩，最大壩高32.5m，正常蓄水位898.00m，相應(yīng)庫容226萬m3，水庫總庫容281萬m3為小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等。

2 大壩加高方案比選

2.1 壩址選擇

魯家壩水庫運(yùn)行多年，壩前淤積深度較深，若在庫區(qū)內(nèi)新建擋水樞紐，基礎(chǔ)處理復(fù)雜且不能利用現(xiàn)有樞紐，工程投資大，所以不宜在上游另選壩址。大壩下游至魯家溝匯河口約300m，兩岸地形條件差，該段無可選壩址，故不宜在下游另選壩址。因此魯家壩水庫加高工程依然在原壩址進(jìn)行，壩址具有唯一性。

結(jié)合測繪、地質(zhì)、勘探等成果，經(jīng)地形地貌、地質(zhì)條件和供水能力等分析[1]，水庫庫區(qū)成庫條件較好，加高后主要存在沿庫區(qū)中前段右岸槽谷表層溶蝕發(fā)育帶向鄰谷滲漏和庫首淺表部以及繞壩肩溶隙型滲漏問題。另外，現(xiàn)有大壩為粘土心墻壩，存在防滲效果較差及局部壩基滲漏量大等問題，水頭抬高后存在滲漏可能，但采取一定的防滲工程措施處理后具備加高條件。因此，利用現(xiàn)有壩址加高大壩擴(kuò)建方案具有壩址唯一性和技術(shù)可行性。

2.2 樞紐建筑物比選

2.2.1 壩型比選

鑒于現(xiàn)有壩體為粘土心墻壩，故可選壩體加高僅限于柔性壩加高。因混凝土防滲面板和趾板對基礎(chǔ)要求較高，在土壩加高工程應(yīng)用該壩型有較大安全隱患，另其沉降周期較長，不利于水庫盡早發(fā)揮效益，故不選擇混凝土面板堆石壩而選擇土壩加高[2]。

土壩加高又因壩體防滲體材料不同，大致分為粘土、瀝青混凝土、混凝土等，也可在上游面采用土工膜進(jìn)行防滲。其中瀝青混凝土防滲體因總體方量較小、施工工藝相對復(fù)雜、質(zhì)量受氣候影響較大、施工進(jìn)度難于控制等因素影響，工程現(xiàn)狀匹配性較差；混凝土防滲體造價(jià)高、溫度控制要求高、剛性特點(diǎn)對基礎(chǔ)變形適應(yīng)能力差等因素，也不選擇。結(jié)合壩體質(zhì)量評價(jià)，大壩局部壩段存在滲漏及填土指標(biāo)變化較大、均一性較差等問題，加高后水位上升會(huì)導(dǎo)致滲漏量變大，存在安全隱患且處理難度大，故不宜利用大壩現(xiàn)有心墻作為大壩防滲體的一部分。同時(shí)，壩基肩現(xiàn)有防滲體系也不能滿足水庫加高要求，需重新設(shè)置壩體及壩基肩防滲體系[3]。土工膜防滲體會(huì)因基礎(chǔ)沉降及壩體不均勻沉降帶來土工膜撕裂而出現(xiàn)失效和壩基肩不能形成封閉防滲體等問題，同時(shí)土工膜需待壩體沉降基本完成后鋪設(shè)，工期較長且使用壽命難達(dá)到工程安全使用年限等缺點(diǎn)，雖其投資較省，但安全隱患較大，易出現(xiàn)安全事故，故不推薦使用。根據(jù)勘察優(yōu)選的5個(gè)天然建筑材料場和大壩現(xiàn)狀筑壩材料及結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)優(yōu)選黏土料填筑量較小的粘土心墻壩和粘土斜墻壩兩種壩型進(jìn)行方案比選，壩殼采用白云巖料填筑。

2.2.2 樞紐建筑物比選

2.2.2.1 粘土心墻壩方案

此方案樞紐建筑物由粘土心墻壩、右岸溢洪道及右岸取放水建筑物等組成。粘土心墻壩大壩剖面，如圖1所示。

2.2.2.2 粘土斜墻壩方案

此方案由粘土斜墻壩、右岸溢洪道及右岸取放水建筑物等組成。除大壩防滲體為粘土斜墻與粘土心墻不一樣外，溢洪道布置、取水兼放空隧洞布置完全一致。粘土斜墻壩大壩剖面，如圖2所示。

結(jié)合水庫大壩結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及施工工藝等因素進(jìn)行分析，論證結(jié)果表明：

(1)粘土斜墻施工工藝較復(fù)雜，且若斜墻防滲失效，后續(xù)補(bǔ)救措施復(fù)雜，不易處理；且該方案需對原壩體進(jìn)行削坡處理，對原壩體干擾較大，施工程序復(fù)雜[4]。

(2)粘土心墻施工工藝簡單，施工經(jīng)驗(yàn)豐富。若防滲失效，后續(xù)補(bǔ)救措施相對簡單，容易處理。且因心墻基礎(chǔ)置于原人飲管道高程以下，在開挖過程中能將該管道滲流通道進(jìn)行隔斷，防滲體后移+帷幕灌漿形成的帷幕體系將安全可靠的保證大壩安全。

圖1 粘土心墻壩大壩剖面圖

圖2 粘土斜墻壩大壩剖面圖

運(yùn)用條件計(jì)算水位/m波高h(yuǎn)5%/m波長L/mP=5%爬高R5%/m壩頂超高/m計(jì)算壩頂高程/m正常運(yùn)用條件1898.000.5356.3250.9091.41899.41正常運(yùn)用條件2900.180.5356.3250.9051.41901.59非常運(yùn)用條件900.920.3224.2140.5720.87901.79

(3)粘土心墻壩較粘土斜墻壩投資省131.25萬元，具備安全可靠、投資較省、防滲補(bǔ)救措施簡單等優(yōu)點(diǎn)，故加高設(shè)計(jì)優(yōu)選粘土心墻壩壩型。

3 粘土心墻壩結(jié)構(gòu)布置

3.1 大壩樞紐布置

大壩樞紐建筑物由粘土心墻壩、右岸溢洪道及右岸取放水建筑物等組成。大壩為混凝土預(yù)制塊護(hù)坡粘土心墻壩，溢洪道為岸邊開敞式側(cè)槽溢洪道，布置于大壩右岸。取放水建筑物利用導(dǎo)流建筑物改造而成，于大壩右岸。對原壩體采取充填灌漿處理、對壩基肩采取防滲帷幕處理，拆除原壩身放水涵洞進(jìn)出口設(shè)施并回填水泥砂漿。

3.2 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大壩現(xiàn)狀上游壩面砼預(yù)制塊護(hù)坡質(zhì)量良好，設(shè)計(jì)考慮利用。大壩加高段上游面設(shè)計(jì)壩坡為1∶2.2，下游面設(shè)計(jì)壩坡為1∶2。加高后大壩為粘土心墻壩，最大壩高32.5m，壩頂長145m、寬5.0m。壩頂高程901.50m。心墻頂厚3.0m，自上而下逐漸加厚至6.5m，心墻上下游坡比均為1∶0.2。心墻河床段底部高程875.50m，頂部高程901.19m。在壩殼料與心墻之間設(shè)砂石料過渡反濾層，其依次由厚0.5m細(xì)砂層和厚0.5m碎石層構(gòu)成。壩頂上游側(cè)設(shè)帶防浪欄板的青石欄桿兼做防浪墻，防浪欄板頂頂高程902.60m，下游側(cè)設(shè)青石欄桿。

溢洪道位于大壩右岸，緊靠壩體一側(cè)布置，為岸邊開敞式側(cè)槽溢洪道，包括引水渠段、側(cè)槽段、調(diào)整段、泄槽段、消力池段、出水渠段，出水渠段順接下游河道，總長176.1m。

取放水建筑物利用右岸導(dǎo)流建筑物改造而成，由閘井段、取水兼放空隧洞(洞內(nèi)穿管)及出口閘室段組成。隧洞總長171.0m。

4 粘土心墻壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 壩頂高程確定

根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果，魯家壩水庫校核洪水位900.92m，設(shè)計(jì)洪水位900.18m，正常蓄水位898.00m，經(jīng)量算水庫計(jì)算吹程D=0.7km。據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)，多年平均最大風(fēng)速11.8m/s，計(jì)算風(fēng)速分別為：正常情況17.7m/s；校核情況11.8m/s。根據(jù)SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,壩頂高程計(jì)算得壩頂超高Y=1.411m(正常蓄水位)、1.407m(設(shè)計(jì)洪水位)、0.872m(校核洪水位)。壩頂高程計(jì)算考慮兩種工況：①正常蓄水位+正常運(yùn)用壩頂超高；②校核洪水位+非常運(yùn)用壩頂超高[6]。計(jì)算得各工況條件下壩頂高程成果，見表1。

根據(jù)SL 274—2001規(guī)定“當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻時(shí)，壩頂超高可改為對防浪墻頂?shù)囊蟆Ｔ谡＿\(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)高出靜水位0.5m；在非常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)不低于靜水位”。結(jié)合表1并考慮大壩沉降，設(shè)計(jì)取壩頂高程901.50m；防浪墻高出壩頂1.1m，墻頂高程902.60m。

4.2 大壩滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算

4.2.1 大壩滲流計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)大壩剖面圖、鉆探資料、洪水成果及采用的壩體粘土滲透系數(shù)：K1=5×10-4cm/s(壩體壩殼料填筑層)、K2=1.0×10-5cm/s(粘土心墻)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型為：有限深透水地基(深5.0m)上心墻壩的滲流計(jì)算；計(jì)算工況為：①校核洪水位900.92m(p=0.2%)、下游水位為874.45m工況；②設(shè)計(jì)洪水位900.18m(p=2%)、下游水位為873.50m工況；③正常蓄水位898.00m、下游水位為873.00m工況。采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正巖土系列軟件6.5版》之《理正滲流分析軟件》進(jìn)行分析[7]，滲流計(jì)算成果見表2。

表2 滲流計(jì)算成果表

從表2可知，大壩單寬滲漏量較小，大壩浸潤線滲流坡降較緩。按太沙基公式計(jì)算得：壩體滲透比降為J=0.38，小于壩體允許滲透比降J=0.40，不會(huì)發(fā)生滲透破壞，壩體滲流性態(tài)滿足規(guī)范要求。

表3 壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果(簡化畢肖普法)

4.2.2 壩坡穩(wěn)定分析

大壩為心墻壩，根據(jù)SL 274—2001規(guī)定，壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用剛體極限平衡法[8- 10]。采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正邊坡穩(wěn)定分析軟件》進(jìn)行計(jì)算，分析得不同荷載組合工況下的上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果，見表3。

從表3可知，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.23，發(fā)生在上游900.92m(下游874.45m)校核洪水位工況的下游壩坡，滿足規(guī)范要求，壩坡穩(wěn)定性好。

5 結(jié)論

為確保魯家壩水庫大壩加高擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)方案具有較高技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，對建壩壩址、壩型及防滲體、樞紐布置和大壩結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)論證及設(shè)計(jì)，優(yōu)選與大壩現(xiàn)狀匹配性好、防滲結(jié)構(gòu)適宜性強(qiáng)和樞紐布置合理的設(shè)計(jì)方案。

(1)大壩現(xiàn)為粘土心墻壩，故壩體加高僅限于柔性壩。經(jīng)施工工藝、筑壩工程量和防滲體質(zhì)量等條件對比分析，優(yōu)選充分利用現(xiàn)有壩體結(jié)構(gòu)、施工工藝較簡便、工期和投資經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好的粘土心墻壩方案。

(2)經(jīng)大壩滲流及壩坡穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果表明：在不同荷載組合工況條件下，不會(huì)發(fā)生滲透破壞，壩體滲流性態(tài)及壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。