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1、水库工程复合土工膜风化料土石坝初步设计优化研究摘 要:水库复合土工膜风化料土石坝,最大坝高25.5m,其坝基地质条件较复杂,需在初步设计阶段对坝体结构、布置等进行详细分析。结合工程地形地质条件,枢纽设计通过在河中游发过河汇口下游约20m处建坝抬高水位,并在右坝肩设开敞式宽顶堰泄流,在右坝段设放水管向下游酒厂供水。经多次优化调整后,枢纽布置、大坝结构体形等均满足碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)的有关规定,方案技术上可行,经济上优越,建议及早实施。 关键词:复合土工膜;土石坝;初步设计1 工程概况某水库位于淤泥乡,距淤泥乡政府所在地约2km,在坝线下游约0.8km处有乡村公路经过,交通
2、条件便利。工程的主要任务是解决大坝下游约1km处的酒厂生产、生活用水和村居民生活用水,年设计供水量为26.7万m3。水库坝线以上集水面积0.9km2,多年平均径流量45.4万m3。水库正常蓄水位为1905.00m,正常蓄水位以下库容22.5万m3,兴利库容19.9万m3,死库容2.59万m3,为多年调节水库,设计洪水位为1906.14m,校核洪水位为1906.61m,水库总库容25.7万m3。水库枢纽工程由挡水建筑物、泄水建筑物、取水放空建筑物等组成。挡水建筑物为复合土工膜碾压风化料土石坝,最大坝高25.5m;泄水建筑物为坝顶开敞式溢洪道,溢流净宽6m;取水建筑物为坝内取水管,直径300mm。
3、工程规模为小(2)型,工程等别为等1。2 坝线地形地质条件坝线段长约800m,溪流流向约197;坝段河谷为较开阔的不对称“V”字型谷,河谷宽35m,河床高程1883-1888m,设计正常高水位1905.0m时,谷口宽约96m,宽高比4.8,左岸山顶高程1940m,地形坡度25-35,山体较宽厚,坡面较平整,地形起伏差异较小;右岸山顶高程1923m,地形坡度角20-45,受坝线下游右岸溪沟切割,形成一较单薄的山脊地形,岸坡地形相对连续,地形约向山内凹陷。坝段下游侧河谷较狭窄,上游侧较宽缓,坝轴线下游100m有一跌坎,跌坎高约6m,其下至岔沟段河床地形均较陡。坝址区覆盖层较厚,基岩零星出露。覆盖层
4、为残坡积粉质粘土夹碎石,表层结构较松散;下部相对密实,为深灰色块状峨眉山玄武岩组(P2)泥岩,厚度约1m;坝址河床覆盖层厚4.9m,左岸覆盖层厚3.6m、强风化厚24.8m,右岸覆盖层厚3.0m,强风化厚32.9m;坝址区无断层等构造发育,岩体较完整,具备成库建坝条件。3 复合土工膜风化料土石坝枢纽布置根据坝址区出露的地形地质条件,河床宽高比较大,覆盖层较深,坝址适宜建当地材料坝,同时对周边调查无粘性土分布。坝轴线位于发过河汇口下游20m,通过开挖大坝上游前端正常蓄水位以下的山体风化料作为填坝材料,坝顶高程1907m,最大坝高25.5m,大坝上游坡比1:2.5,下游坝坡1:2.0,上游坡面设砼
5、预制块护面和土工膜防渗层,下游设草皮护坡和坝脚设堆石棱体排水。溢洪道布置在右坝肩,采用开敞式自由泄流方式;放水管布置在左坝段,采用坝内设钢管输水。4 复合土工膜风化料土石坝结构优化设计4.1 坝顶高程根据调洪计算成果,水库校核洪水位1906.61m,设计洪水位1906.14m,正常蓄水位1905.00m,死水位1892.00m。库区多年平均最大风速12m/s;最大风区长度0.3km,与坝轴线夹角约0。按规范(SL274-2001)中规定的水库公式来计算波浪爬高R及风雍水面高度e。坝顶安全超高A按规范(SL274-2001)中表5.3.1取为0.5m(正常情况)和0.3m(非常情况)。计算得坝顶
6、高程成果为:防浪墙顶高程的计算值最大为设计水位工况,即计算防浪墙顶高程最大为1907.424m,设计取防浪墙顶高程1908.00m,坝顶高程1907.00m,防浪墙高出坝顶1m。4.2 坝体轮廓设计4.2.1 坝顶设计按规范(SL274-2001)要求,坝顶宽510m为低限,但本坝已低于规范(SL274-2001)的实用范围,且坝顶有交通要求,参照类似工程,本工程取坝顶宽为5m,上游侧设宽0.2m防浪墙,下游侧设高1.0m不锈钢栏杆,坝顶作25cm碎石垫层+15cm沥青混凝土路面。4.2.2 防浪墙高度目前,国内设计的工程防浪墙高度一般为36m左右,本工程为满足防浪墙底高于正常蓄水位的要求,选
7、定防浪墙底高程1908.00m,坝顶上游侧设“L”型钢筋砼防浪墙和挡墙,防浪墙高选为1.15m,高出坝顶路面1.0m。4.2.3 上下游坝坡工程属于挖库筑坝工程,由兴利调节计算结果可知,为满足供水要求,在正常蓄水位1905m以下需要挖出9.5万m3库容,考虑到挖库放坡,经计算总挖方量为11.2万m3,扣除剥离料及弱风化岩体,经分析开挖料利用率为86%,筑坝可利用风化料约9.6万m3。经计算,大坝上游坝坡取1:2.5,相应坡角21.8,下游坝坡取1:2.0时,相应坡角26.57,大坝渗流及坝坡稳定计算成果满足规范要求。此设计断面坝体填筑料需求量为92200m3,库内多余开挖料直接运至渣场堆放。大
8、坝下游设置排水棱体,坡度1:1.5,相应坡角33.7。4.3 坝体结构分区推荐坝型为复合土工膜防渗土石坝,按照筑坝材料及功能从上游到下游将坝体分为上游保护层、土工膜上垫层、防渗复合土工膜、下垫层、风化料填筑体、下游护坡及排水棱体等。上游保护层:由8cm厚预制块组成;上垫层:土工膜上垫层由一层粗砂和一层碎石组成。与土工膜直接接触层为中砂,厚10cm,粗砂与上游保护层之间设一碎石垫层,厚15cm,起保护土工膜及与上游保护厚过渡的作用;防渗复合土工膜:防渗土工膜采用聚乙烯(PE)复合土工膜(两布一膜),膜厚0.5mm,土工膜重300g/m2,即规格:300g/0.5mm/300g;下垫层:土工膜与风
9、化料填筑坝体之间,采用一层厚15cm的中砂作为土工膜下垫层;风化料填筑体:由去掉耕植土层的风化土石料组成,为大坝主体部分;下游护坡:采用草皮护坡;排水:由膜下排水、坝底排水及坝脚排水组成。膜下排水主要由复合土工膜的复合布及下垫层组成,坝底设多孔PE(外裹土工布)排水管,坝脚设排水棱体。4.4 坝体防渗结构防渗结构主要由防渗齿墙及PE复合土工膜组成。防渗齿墙由C20砼构成,其下部与坝基帷幕灌浆相连接、上部与土工膜相连接,形成封闭的防渗体系。齿墙厚2m,高3m,置于强风化中上部。上游坝面铺设复合土工膜采用横铺法进行铺设,上游坡面设4道抗滑齿槽,齿槽间距为6m(沿坝坡方向),齿槽底宽0.8m,在齿槽
10、上端留50cm折叠以作伸缩。复合土工膜与周边连接采用砼槽固结将土工膜嵌固在砼齿墙内,在连接位置设土工膜伸缩接。5 结束语水库工程复合土工膜风化料土石坝优化设计中,根据坝址地形地质条件,结合大坝建基面和坝体结构布置及现场施工等因素,推荐采用复合土工膜防渗风化料土石坝。通过在河中游发过河汇口下游约20m处建坝抬高水位,并在右坝肩设开敞式宽顶堰泄流,同时在右坝段设放水管向下游酒厂供水。项目经济效益满足国家对项目投资的基本要求、工程建成后能满足设计供水要求,社会效益突出。参考文献1范宇辉.尾矿库工程中土石坝设计的可行性J.水利科技与经济,2013,(04):46-47.2孙福霞.水库土石坝设计重点内容分析J.中国水运:下半月,2012(02):142-143.作者简介:刘慎凯(1985-),男,贵州兴义市人,本科,助理工程师,主要从事水利水电工程设计工作。