水庫主壩填筑材料分區(qū)優(yōu)化設計分析

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摘要：基于初步設計審查意見和原施工圖設計，對銅鑼徑水庫主壩分區(qū)填筑材料進行優(yōu)化設計。在滿足壩體邊坡穩(wěn)定及變形要求的前提下，主壩全強風化料除布置在下游壩殼外，在心墻與上游堆石之間增設全強風化料區(qū)，并增設過渡層和反濾層，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度的要求。

關(guān)鍵詞：銅鑼徑水庫；壩體填筑；優(yōu)化設計；抽水蓄能電站

1引言

銅鑼徑水庫位于深圳市龍崗河支流響水河上，壩址至上游三洲田水庫干流長4.99km，集雨面積5.64km2，該水庫是深圳抽水蓄能電站（裝機1200MW，4臺）的下水庫和深圳東部片區(qū)的調(diào)蓄供水水庫，具有發(fā)電、供水及防洪等綜合功能。主壩在舊壩的基礎(chǔ)上擴建而成，舊壩壩頂高程68.35m，最大壩高25m，擴建后壩頂高程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，設計洪水標準500年一遇，校核洪水標準5000年一遇，地震基本烈度為7°，總庫容2399.8萬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，主壩采用風化土心墻堆石壩。壩體堆石料由工程周邊石場供應，但2012年4月工程開工時周邊石場均已關(guān)停不再對外供應石料，石料短缺成為制約工程推進的主要因素。為保證項目按期竣工，對壩體填筑材料分區(qū)進一步優(yōu)化，盡量減少堆石用量，控制工程投資。

2優(yōu)化設計原則

原設計已論證了充分利用舊壩的基礎(chǔ)上進行加高加厚，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壩體不利的問題。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)化設計的關(guān)鍵，基本原則為：①維持原設計壩型不變；②在庫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)化設計

3.1原主壩設計方案

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、高等基本參數(shù)維持原設計不變的情況下，根據(jù)優(yōu)化設計原則，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，應盡可能大范圍布置全強風化料。除下游壩殼外，在心墻與上游堆石之間可增設全強風化料區(qū)。初擬上游壩坡為1∶4，1∶3.25，1∶2.75，1∶3，4個方案進行比較，各壩體結(jié)構(gòu)下游相同，差異在上游。3.2.11∶4方案心墻上游增設全強風化料，面上以3m厚堆石壓坡，上游堆石與全強風化料之間設反濾層和過渡層，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方案心墻上游增設全強風化料區(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。兩者之間設反濾層和過渡層，層厚均為1.5m。3.2.31∶3.25方案心墻上游增設全強風化料區(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∶3.25，兩者之間設反濾層和過渡層，層厚均為1.5m。經(jīng)初步計算，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m3和40萬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m3，較前兩個方案進一步減少。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，依次布置干砌石護坡（厚0.6m）、上游堆石區(qū)、過渡層（厚1.5m）、反濾層（厚1.5m）、新增全強風化料區(qū)、反濾層（1.5m）、風化土心墻、反濾層（厚1.5m）、過渡層（厚3m），下游高程48m以上為全強風化料、以下為堆石，全強風化料和堆石之間設反濾層（厚0.6m）。下游坡面為草皮護坡，坡腳設排水棱體。上下游建基面均設粗砂碎石墊層（厚1m）。

3.3壩體穩(wěn)定與變形計算

3.3.1壩體穩(wěn)定計算對材料優(yōu)化分區(qū)后的方案進行計算。壩基和壩體計算參數(shù)根據(jù)施工圖階段的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗有關(guān)數(shù)據(jù)及巖石特性，并參照國內(nèi)類似工程的經(jīng)驗數(shù)據(jù)類比擬定［10-14］，如表1。壩體邊坡穩(wěn)定分析采用《河海大學滲流邊坡穩(wěn)定計算程序（Autobank7）》進行計算，滲流計算采用有限元法，穩(wěn)定計算采用簡化畢肖普法。計算工況及結(jié)果如表2，壩體邊坡抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。3.3.2壩體變形計算壩體變形采用E-b模型進行計算，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，因為蓄水后壩體孔隙水壓力增加，有效應力降低，浸潤線下壩體產(chǎn)生了微小的卸荷回彈變形。（2）從壩體的大、小主應力分布上看，其較大值均在壩體底部［17］?？⒐て跀嗝娲笾鲬ψ畲笾?.07MPa，小主應力最大值0.49MPa，蓄水后最大、最小主應力均有所降低，同樣是蓄水導致有效應力降低所致。

4工程量及投資變化情況

優(yōu)化方案與原設計方案工程量比較：堆石減少23.404萬m3，全強風化料增加27.839萬m3，堆渣增加8.43萬m3，過渡層增加3.24萬m3，反濾層增加1.156萬m3，過渡排水層增加2.114萬m3，粗砂碎石墊層增加2.065萬m3，干砌石護坡增加0.395萬m3。根據(jù)2014年第3期深圳市價格信息同比測算，優(yōu)化方案造價14708.461萬元，原方案造價16654.098萬元，節(jié)省投資1945.54萬元。

5結(jié)語

鑒于筑壩石料來源困難，為避免影響工程進度，對主壩分區(qū)填筑材料進行優(yōu)化設計。經(jīng)計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m3，比原方案減少23.404萬m3；全強風化土石料83.74萬m3，比原方案增加27.839萬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風化料，而堆石料大大減少。按綜合單價計算，優(yōu)化后方案投資（直接費）較原設計方案減少1945.54萬元，優(yōu)化設計滿足工程需求，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：深圳市水務局