论大横箐水库存在的必要性及水库大坝设计分析

论大横箐水库存在的必要性及水库大坝设计分析

秦花 普芹英 熊文

摘要：随着社会经济的快速发展，农民生活水平得到大幅度的提高，农村饮水需求也越来越大，本文以大横箐水库为实例，主要分析了水库建设对地方的影响及必要性，也阐述了水库大坝选址及水库大坝的设计，最后针对大坝稳定性及基础处理进行论述，仅供参考。

关键词：大坝设计，基础处理

一、工程概述

大横箐水库位于弥渡县城西面，毗雄河一级支流大横箐上游，甲板村附近，水库坝址位于东经100°22′42″，北纬25°19′32″。坝址距县城15.75km，其中7.5km为马道，8.25km为乡村公路，距大理市79.5km、距昆明市338.5km，交通条件较差。

二、库区地质情况

水库河谷呈“V”型，大横箐为周边地下水、地表水的汇集区。库区两岸不存在低邻谷间渗漏问题。库岸属斜交—反向坡，植被较好，库岸坡坡积碎石砂土层较厚，堆积较密实，岸坡处于基本稳定状态。库尾HP1滑坡规模小，对水库枢纽区不构成大的安全问题。水库修建后会产生库岸坍塌，增加了水库淤积。水库存在一定的淤积问题，不存在浸没问题，库内不存在大的淹没损失。

三、水库建设的必要性

由于近年来随着新街镇社会经济得到较快发展，农民生活水平得到大幅提高，农村饮水需求增大，且水库灌区内新街镇的西庄、董河、六一、陶营等村委会属血吸虫疫区，灾害十分严重，多年来农民饮水十分困难，生活苦不堪言。县委县政府对其十分重视，弥渡县水利局组织技术人员多次进行勘察寻找水源，经多方努力，确定水质较好、水量较丰富的大横箐作为水源，并于2009年完成了新街镇南片区饮水工程设计和施工，取水方式为径流引水，建成水厂1座。至此新街镇饮水困难局面得到一定程度的缓解，但由于现状饮水工程采用径流引水方式取水，可供水量少，且含泥量高，多数情况只能定时、定量进行供水，农村安全饮水困难没有得到彻底解决。

根据水土平衡分析，现状农村饮水为无调节引水方式取水，农村饮水需水量64.1万m3，大横箐饮水工程供水量55.0万m3，缺水时段集中在枯期，随着农村人口增加和用水标准的提高，2020年农村饮水需水量增加至101.3万m3，无调节引水农村饮水供水量远无法满足需水要求，加剧农村安全饮水的供需矛盾。

经现场勘察，大横箐水库建库条件较好，水厂具备较好的扩建条件，只需增加设备即可扩大供水能力，若经大横箐水库调节后供水，水中泥沙含量降低，供水量不仅满足农村饮水安全的要求，余水将使下游农田灌溉条件得到较大改善。

大横箐水库是弥渡县“十一五”规划、《弥渡县水资源开发利用规划报告》中的重点水利建设项目，水库总库容167万m3，年供水量195.8万m3。其中：农村安全饮水供水101.3万m3，解决2.901万人饮水；农灌供水94.5万m3，水库设计灌溉面积为1710亩。大横箐水库工程的兴建解决了农村饮水困难问题，满足农村饮水安全供水，同时余水供新街镇境内栗树营水库北干渠以西缺灌耕地灌溉用水，改善水库下游灌区灌溉条件。该工程的建设对灌区经济的持续健康发展将起十分重要的作用，具有显著的社会效益和经济效益。所以，大横箐水库工程的兴建是十分必要的。

四、水库大坝选址的分析

1.坝位选择

根据大横箐河的地形、地质条件，经野外现场踏勘比较工作，初步选定两个坝位，2#坝位于大横箐河上游河段，距小甲板村下游500m，此坝位河道地形狭窄，两岸坡基本对称，坝址附近无不良物理地质现象，水库枢纽比较好布置。1#坝位位于2＃坝位下游约300米处，此坝位河道地形狭窄，两岸坡基本对称，但右岸坡发育一古滑坡，滑坡较难处理，且河床纵坡大，枢纽布置比较困难，坝高、填筑方量大。在水库规模一样时，2#坝位坝高为46.98米，1#坝位高为47.77米，即相同坝高情况下2#坝位库容大于1#坝位库容。通过对以上两个坝位进行比较，选择2#坝位为推荐坝位。

2.坝型选择

坝址位于大横箐中上游河段，河谷较窄，河道较顺直，河谷底宽约20m，呈“U”型河谷，两岸山体较厚实。左岸坡度35°～51°，右岸山坡面较匀称，坡度39°。两坝肩坡积层块碎石夹砂土、块碎石粘土较厚，分布面积较宽，左岸厚约10.8m，右岸厚约12.8m；河床冲洪积层为漂卵砾石夹砂厚6.3～9.6m。紫红色砂泥岩、砂砾岩及灰白、浅黄色长石砂岩基岩，强风化层厚15～30m。岸坡坡积碎石土层、河床漂卵砾石砂层均为松散岩组，强风化泥岩、砂岩为软弱岩组(湿抗压强度小于15Mpa)，地基承载力强度不满足作为中高刚性坝基地基强度要求，坝址不适宜作为刚性坝地基。结合坝址区地形地质条件以及天然建筑材料的分布情况分析，大横箐水库宜于兴建土石坝。

工程区周边方圆5km以内均为滇西“红层”区地层，岩性主要为泥质岩（泥岩、粉砂岩等）软岩类为主，强度较高的长石、石英砂岩、细砂岩类地层仅为小夹层出露，数量少，开采难度大，不足以作为工程堆石坝坝壳料开采使用，故在坝型选择中，不再考虑堆石坝的坝型。

坝址区附近泥岩、砂岩强风化层厚，风化料较丰富，取样试验主要指标为：渗透系数2组K=（7.08～8.26）×10-2cm/s，１组渗透系数K=8.92×10-3cm/s，１组渗透系数K=6.17×10-4cm/s，均大于均质坝土料渗透系数K<10-4cm/s的防渗要求。风化料的料性、防渗不能满足均质坝的要求，故本工程不具备均质坝的建材条件。

在大横箐箐门口有大量的粘土料天然建材，大坝附近具有大量的风化料，故从当地建材决定坝型上，可选择粘土心墙风化料坝或粘土斜墙风化料坝坝型。

由于粘土斜墙坝上游结合槽截入基岩开挖，使两岸坡脚一带形成较大的开挖临空面，对地表植被扰动、破坏较大，增加两岸坡的不稳定性；其次，由于斜墙坝结合槽面积比心墙坝结合槽宽，需要回填的粘土量比粘土心墙坝量大，而粘土料场位于大横箐箐门口，距大坝坝址约为8km，运距较远，直接增加工程投资；其三，心墙坝右岸结合槽开挖，坝顶上部对HP2滑坡减荷，实际也就是对HP2滑坡进行了清挖处理，改善了右坝肩的稳定性。

综上所述，通过地质、地形条件及经济技术比较，选择粘土心墙风化料坝。

五、水库的大坝设计

1.坝顶高程确定

⑴计算资料

水库区按多年平均最大风速考虑，多年平均最大风速V平＝11.9m/s，从库区地形图量得对岸吹程D=0.98km。

水库特征水位：正常蓄水位2149.65m，设计洪水位(P=3.33%)2152.46m，校核洪水位(P=0.33%)2153.47m。

⑵坝顶超高计算

根据碾压土石坝设计规范附录A中的有关公式计算。

坝顶超高按Y=R+e+A计算

最大波浪在坝坡上的爬高R，用莆田试验站公式计算；风壅水面高度按公式e=kw2D/(2gH)Cosβ计算；安全加高，对于4级土石坝，A正常=0.5m，A非常=0.3m。

经计算：

波浪爬高：对于4级土石坝取累积概率P=5%的爬高值，则R正常=0.898m，R非常=0.566m。

风壅水面高：e正常=0.0035m，e非常=0.0014m。

坝顶超高：Y正常=2.155m，Y非常=1.343m。

地震安全加高：1.0+0.6=1.6m。

⑶坝高的确定

坝顶高程的最大计算值为2154.813m(校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高)，取坝顶高程为2154.90m，为减少坝体工程量，坝顶采用1.0m高的钢筋砼防浪墙，因而坝顶实际高程为2153.90m，则最大坝高为58.4m(不含1.0m高的防浪墙)。

2.坝顶宽度

坝顶无交通要求，坝顶宽度按施工条件、结构要求以及管理运用的需要确定为6米，大坝坝顶长155.5米，坝顶采用厚0.1m的C15砼路面。

3.坝坡设计及细部结构

坝坡：

设计上游坡从坡顶至坡脚设1：2.0、1：2.25.1：2. 5三级变坡，级差为16m、16m、15.7；

设计下游坡从坡顶至棱体设1：2.0、1：2.25、1：2.25三级变坡，级差为14m、14m、14m。

细部结构：

大坝采用粘土心墙防渗，心墙轴线位于坝轴线上游侧，距坝轴线1.0m，心墙顶部高程为2152.50m，顶宽4.0m，上、下游坡比为1:0.25，底部最大宽度为32.25m。在大坝心墙底部设有1.5m深的结合槽，并在帷幕灌浆部位的心墙结合槽底部与基岩接触面设置5m宽0.5m厚的C15砼盖板，心墙座落于基岩上，进入基岩不小于1.5m。根据坝料、砂砾料颗分资料，结合工程施工方法，心墙上游侧设一层水平宽度3.0m的反滤过渡层，采用混合砂卵砾石；下游侧设两层反滤过渡层，各层的水平宽度分别为1.5m、2.0m，第一层为混合砂，第二层为卵砾石。

为防止集水冲刷坝坡，在下游坡变坡处设三道戗台（含棱体顶），宽2米，台上设横向排水沟，在左坝坡设纵向排水沟，排除横向排水沟内的集水。

土坝下游坝脚设褥垫及棱体排水，棱体最大高度13米，顶宽2米，外坡1：1.5，内坡1：1，堆石棱体座于砂卵砾石层上,用毛块石填筑,外缘为干砌块石护面,褥垫水平延伸至坝体内,成为组合式的排水体。褥垫层由一层厚1.0米的毛块石,外包两层厚各0.4的碎石和砂组成。

上游坝坡采用C15砼预制（现浇）块护坡，下游坝坡采用植草护坡，先在坝坡上铺一层厚20cm的腐植土，再在其上撒播适宜土坝区生长的草子，坝坡与左岸坡的接合处设岸坡排水沟，解决箐沟与岸坡排水，右坝坡集水直接排入溢洪道内。

4.大坝稳定分析

⑴力学指标

根据地勘及试验资料，坝基及坝体材料的主要力学指标见下表。

⑵渗流计算

由于心墙粘土料的渗透系数比坝壳风化料小100倍以上，坝基进行帷幕灌浆，故大坝的渗流简化为对粘土心墙的计算，按不透水地基上均质坝渗流的水力学解法计算。上游取正常蓄水位2149.65m。

经计算标准剖面浸润线方程为y2=51.22-74.677x。

经计算坝体单宽渗流量q=1.643×10-7m3/s•m，平均坝长为98m，日渗漏量为12.49m3，则年渗漏量为4559m3，占总库容的0.27%。

⑶　大坝稳定计算

坝坡的抗滑稳定计算工况为稳定渗流期的上、下游坝坡；水库水位降落期的上游坝坡；正常运用遇地震的上、下游坝坡。坝体稳定计算采用中国水利水电科学研究院陈祖煜教授编制的《土质边坡稳定分析程序STAB2007》，计算中采用简化毕肖普法，按有效应力法计算，地震作用力按新颁布的《水工建筑物抗震设计规范》中规定进行。计算剖面为大坝标准剖面。大坝抗滑稳定计算成果见下表。

大坝稳定计算结果：上游坝坡最小抗滑稳定安全系数K上min=1.185，下游坝坡最小抗滑稳定安全系数K下min=1.184，安全系数均满足规范要求。

六、水库大坝的基础处理

坝址位于大横箐中上游河段，河谷较窄，河道较顺直，河谷底宽约20m，呈“U”型河谷，坝轴线方位由左岸133°16′11″。两岸山体较厚实，左岸坡上陡下缓，坡度35°～51°，右岸山坡面较匀称，平均坡度39°。但两坝肩坡积层较厚，左岸厚约10.8m，右岸厚约12.8m，坡积(Qdl）为褐红、棕黄、灰白色块碎石夹砂土、块碎石粘土，中密，中等透水，稳定性差，右岸坡积层分布面积较宽；河床冲洪积层为漂卵砾石夹砂，粒径0.5～3cm为主，成分以砂泥岩为主，上部1m松散，下部较密，透水性强，河心厚达8.4m。下伏基岩为白垩系南新组下段（K2n1）紫红色砂泥岩、砂砾岩及灰白、浅黄色长石砂岩，岩石风化较强，强风化层厚15～30m，节理裂隙较发育，主要节理:J1：45°∠40°,J2:150°∠35°,J3:242°∠65°。在ZK16、ZK17 钻孔中揭露有零星花岗斑岩岩脉（γπ）侵入。顺左岸坡脚河发育f1断层，性质为张性正断层，断层两侧岩层产状相抵，上盘岩层产状310°∠60°，下盘岩层产状350°～357°∠20°～22°、5°∠25°。

大坝清基：从勘察果成分析，两岸坡坡积土可满足坝基要求土要求，但地表存在腐植土层，需清除表部的腐植土层，一般厚度为1～2m，局部松、软、散处加大清基深度。河床漂卵砾石砂层，主河道上部0.5～1m相对松散，1m以下较密实，可作为坝基，清基深1～2m。粘土心墙座落在基基岩上，进入基岩1.0～1.5m，左岸坡结合槽清基深度6～8m，右岸坡清基深度6～9m。河床清基深度10.8m。排水褥垫和排水棱均座落在冲洪积层上，清基深度为3～4m。

上下游坝基对滑坡体滑坡堆积物需进行翻压及排水处理，确保水库蓄水后安全运行。

七、结束语

经过多年的大坝实践，大坝的溃坝率，到本世纪末已降至0.2％或更小，但这仍然是相当惊人的，因此完善大坝的设计及施工，提高施工质量，做好大坝的管理等相关工作是至关重要的。