水庫(kù)主壩填筑材料分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

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摘要：基于初步設(shè)計(jì)審查意見(jiàn)和原施工圖設(shè)計(jì)，對(duì)銅鑼徑水庫(kù)主壩分區(qū)填筑材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足壩體邊坡穩(wěn)定及變形要求的前提下，主壩全強(qiáng)風(fēng)化料除布置在下游壩殼外，在心墻與上游堆石之間增設(shè)全強(qiáng)風(fēng)化料區(qū)，并增設(shè)過(guò)渡層和反濾層，主壩上游坡比由1∶2.75放緩到1∶3。優(yōu)化后壩體堆石用量大幅減少，滿足了工程用料和工程進(jìn)度的要求。

關(guān)鍵詞：銅鑼徑水庫(kù)；壩體填筑；優(yōu)化設(shè)計(jì)；抽水蓄能電站

1引言

銅鑼徑水庫(kù)位于深圳市龍崗河支流響水河上，壩址至上游三洲田水庫(kù)干流長(zhǎng)4.99km，集雨面積5.64km2，該水庫(kù)是深圳抽水蓄能電站（裝機(jī)1200MW，4臺(tái)）的下水庫(kù)和深圳東部片區(qū)的調(diào)蓄供水水庫(kù)，具有發(fā)電、供水及防洪等綜合功能。主壩在舊壩的基礎(chǔ)上擴(kuò)建而成，舊壩壩頂高程68.35m，最大壩高25m，擴(kuò)建后壩頂高程85.90m，最大壩高47.5m，新舊壩高差22.5m。工程等別為Ⅰ等大（1）型，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)5000年一遇，地震基本烈度為7°，總庫(kù)容2399.8萬(wàn)m3，正常蓄水位80m，死水位60m，水位最大消落深度20m。經(jīng)前期各階段壩型比較，主壩采用風(fēng)化土心墻堆石壩。壩體堆石料由工程周邊石場(chǎng)供應(yīng)，但2012年4月工程開(kāi)工時(shí)周邊石場(chǎng)均已關(guān)停不再對(duì)外供應(yīng)石料，石料短缺成為制約工程推進(jìn)的主要因素。為保證項(xiàng)目按期竣工，對(duì)壩體填筑材料分區(qū)進(jìn)一步優(yōu)化，盡量減少堆石用量，控制工程投資。

2優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

原設(shè)計(jì)已論證了充分利用舊壩的基礎(chǔ)上進(jìn)行加高加厚，并解決了新舊壩結(jié)合面臨防滲體不均勻沉降引起的一系列對(duì)壩體不利的問(wèn)題。因此，確保壩體穩(wěn)定和控制變形是壩體材料分區(qū)［3-9］優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，基本原則為：①維持原設(shè)計(jì)壩型不變；②在庫(kù)水位驟降工況下壩體邊坡和滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；③壩體變形滿足規(guī)范要求；④在任何情況下的滲透水都能通暢地排往下游；⑤基于上述條件，盡可能減少堆石用量和壩體總方量。

3優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1原主壩設(shè)計(jì)方案

主壩軸線位于舊主壩下游，呈直線布置，壩頂高程85.9m，壩頂長(zhǎng)433m，壩頂寬7m，最大壩高47.5m。壩體上游邊坡1∶2.75，下游邊坡1∶3，最大底寬約234.39m。

3.2優(yōu)化方案比較

壩軸線、壩頂高程、壩體長(zhǎng)、高等基本參數(shù)維持原設(shè)計(jì)不變的情況下，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，從減少堆石節(jié)省投資的目的出發(fā)，在滿足壩體邊坡穩(wěn)定及變形要求的前提下，應(yīng)盡可能大范圍布置全強(qiáng)風(fēng)化料。除下游壩殼外，在心墻與上游堆石之間可增設(shè)全強(qiáng)風(fēng)化料區(qū)。初擬上游壩坡為1∶4，1∶3.25，1∶2.75，1∶3，4個(gè)方案進(jìn)行比較，各壩體結(jié)構(gòu)下游相同，差異在上游。3.2.11∶4方案心墻上游增設(shè)全強(qiáng)風(fēng)化料，面上以3m厚堆石壓坡，上游堆石與全強(qiáng)風(fēng)化料之間設(shè)反濾層和過(guò)渡層，厚度均為1.5m。該方案壩體變形較大，不滿足要求，方案不可行。3.2.21∶2.75方案心墻上游增設(shè)全強(qiáng)風(fēng)化料區(qū)，頂高程與正常蓄水位齊平，頂寬3m，上游坡比1∶1.5；面上堆石壓坡，堆石坡比上游1∶2.75。兩者之間設(shè)反濾層和過(guò)渡層，層厚均為1.5m。3.2.31∶3.25方案心墻上游增設(shè)全強(qiáng)風(fēng)化料區(qū)，頂高程與正常蓄水位齊平，頂寬4.24m，上游坡比1∶2，面上堆石壓坡，堆石坡比上游1∶3.25，兩者之間設(shè)反濾層和過(guò)渡層，層厚均為1.5m。經(jīng)初步計(jì)算，上游坡1∶2.75和1∶3.25兩方案均能滿足規(guī)范要求，其堆石量分別為37萬(wàn)m3和40萬(wàn)m3，兩方案的堆石量均有不同程度的降低。3.2.41∶3方案堆石坡比上游1∶3，下游1∶1.8，堆石量為31.86萬(wàn)m3，較前兩個(gè)方案進(jìn)一步減少。因此，推薦上游坡比1∶3的方案為優(yōu)化方案。壩體結(jié)構(gòu)布置：上下游邊坡均為1∶3，自上游至下游面，依次布置干砌石護(hù)坡（厚0.6m）、上游堆石區(qū)、過(guò)渡層（厚1.5m）、反濾層（厚1.5m）、新增全強(qiáng)風(fēng)化料區(qū)、反濾層（1.5m）、風(fēng)化土心墻、反濾層（厚1.5m）、過(guò)渡層（厚3m），下游高程48m以上為全強(qiáng)風(fēng)化料、以下為堆石，全強(qiáng)風(fēng)化料和堆石之間設(shè)反濾層（厚0.6m）。下游坡面為草皮護(hù)坡，坡腳設(shè)排水棱體。上下游建基面均設(shè)粗砂碎石墊層（厚1m）。

3.3壩體穩(wěn)定與變形計(jì)算

3.3.1壩體穩(wěn)定計(jì)算對(duì)材料優(yōu)化分區(qū)后的方案進(jìn)行計(jì)算。壩基和壩體計(jì)算參數(shù)根據(jù)施工圖階段的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)有關(guān)數(shù)據(jù)及巖石特性，并參照國(guó)內(nèi)類似工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)類比擬定［10-14］，如表1。壩體邊坡穩(wěn)定分析采用《河海大學(xué)滲流邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序（Autobank7）》進(jìn)行計(jì)算，滲流計(jì)算采用有限元法，穩(wěn)定計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普法。計(jì)算工況及結(jié)果如表2，壩體邊坡抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。3.3.2壩體變形計(jì)算壩體變形采用E-b模型進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)參照其他類似工程擬定（如表3），有限元網(wǎng)格如圖1。（1）從壩體的位移分布上看，竣工期最大沉降0.495m，蓄水期最大沉降0.388m，最大沉降為壩高的0.9%，主要發(fā)生在施工期［15-16］；蓄水后，壩體最大沉降量減少，因?yàn)樾钏髩误w孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力降低，浸潤(rùn)線下壩體產(chǎn)生了微小的卸荷回彈變形。（2）從壩體的大、小主應(yīng)力分布上看，其較大值均在壩體底部［17］?？⒐て跀嗝娲笾鲬?yīng)力最大值1.07MPa，小主應(yīng)力最大值0.49MPa，蓄水后最大、最小主應(yīng)力均有所降低，同樣是蓄水導(dǎo)致有效應(yīng)力降低所致。

4工程量及投資變化情況

優(yōu)化方案與原設(shè)計(jì)方案工程量比較：堆石減少23.404萬(wàn)m3，全強(qiáng)風(fēng)化料增加27.839萬(wàn)m3，堆渣增加8.43萬(wàn)m3，過(guò)渡層增加3.24萬(wàn)m3，反濾層增加1.156萬(wàn)m3，過(guò)渡排水層增加2.114萬(wàn)m3，粗砂碎石墊層增加2.065萬(wàn)m3，干砌石護(hù)坡增加0.395萬(wàn)m3。根據(jù)2014年第3期深圳市價(jià)格信息同比測(cè)算，優(yōu)化方案造價(jià)14708.461萬(wàn)元，原方案造價(jià)16654.098萬(wàn)元，節(jié)省投資1945.54萬(wàn)元。

5結(jié)語(yǔ)

鑒于筑壩石料來(lái)源困難，為避免影響工程進(jìn)度，對(duì)主壩分區(qū)填筑材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算分析后的推薦方案，其壩坡穩(wěn)定及壩體變形滿足規(guī)范要求，堆石量31.85萬(wàn)m3，比原方案減少23.404萬(wàn)m3；全強(qiáng)風(fēng)化土石料83.74萬(wàn)m3，比原方案增加27.839萬(wàn)m3。壩體優(yōu)化后體型和填筑方量有所增加，但增加的主要是全強(qiáng)風(fēng)化料，而堆石料大大減少。按綜合單價(jià)計(jì)算，優(yōu)化后方案投資（直接費(fèi)）較原設(shè)計(jì)方案減少1945.54萬(wàn)元，優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足工程需求，保證了工程按期完工，取得了顯著工程效益。

作者：莊美琪 楊東光 譚海勁 單位：深圳市水務(wù)局