鲁甸县猫鼻子水库扩建工程大坝设计要点

鲁甸县猫鼻子水库扩建工程大坝设计要点

张,毅

昭通市水利水电勘测设计研究院，云南 昭通 657000

摘要：猫鼻子水库位于云南省鲁甸县洒渔河上，对水库进行扩建增加灌溉效益、并作为鲁甸县的应急供水水源。本文结合水库原大坝质量及工程地质条件，阐述了大坝扩建方案、开挖料利用、坝体防渗墙结合坝基帷幕灌浆设计。

关键词：大坝、扩建加坝方案、大坝设计、防渗处理

一、工程概况

鲁甸县位于云南省的东北部，猫鼻子水库位于鲁甸县城西北方向水磨镇黄泥寨村，属金沙江水系横江支流洒渔河上游河段（又称龙树河），距鲁甸县城54km。水库于1960年建成投入运行，并分别于1993年、2012年、2015年经历了3次除险加固。现状水库总库容699.1万m3，枢纽主要建筑物有大坝、溢洪道和输水隧洞，大坝为均质土坝，最大坝高40.2m。

为促进乡村振兴战略实施，保障鲁甸县城供水安全，按照“高水高用，优水优用”的原则进行流域水资源优化配置，猫鼻子水库扩建后总库容达到1165.0万m3，可增加供水量309.1万m3，新增灌溉面积1.1万亩、农村供水0.38万人，并作为鲁甸县城应急和备用供水水源，扩建猫鼻子水库是非常必要的。

扩建后水库枢纽工程由大坝、溢洪道和输水隧洞组成。大坝为砼防渗墙风化料坝，坝顶高程2236.80m，最大坝高50.51m，坝顶长度229m。溢洪道布置为左岸开敞式溢洪道，输水隧洞布置在右岸山体内。

二、基本地质条件

1、原大坝质量

原大坝为均质土坝，坝体材料为砾质粘土、粉质粘土含碎块石，结构中密但不均，天然含水率42%，天然干密度1.25 g/cm3，天然孔隙比1.35，坝土的天然干密度偏小，孔隙比较大，坝土压实度较差。沿老坝轴线经过灌浆处理的坝土渗透系数为10-6cm/s 级，呈弱透水性，其余坝土渗透系数为8.4×10-3cm/s～2.0×10-4cm/s，具中等-弱透水性。原坝体经过60多年的沉降和固结，坝体稳定，无明显变形沉降和开裂情况，下游坝脚无集中渗漏点，目前水库正常运行。

2、坝址区地质条件

坝基河床冲洪积层为含卵砾石粉质粘土、砂卵砾石夹漂石，厚 3～10m；下游培厚坝基范围河床冲洪积层最厚 12m，上部为粉质粘土夹淤泥，中部土夹卵砾石，下部为含卵砾石粉质粘土。下覆基岩为二叠系玄武岩，流层面缓倾左岸，左岸全风化下限深度 3～6m，强风化下限深度 10～24m；右岸全风化下限深度15～18m，强风化下限深度 28～33m；河床无全风化分布，强风化下限深度 13～14m。坝址右岸山包分布一个中型古滑坡，滑坡体物质为强风化玄武岩，滑块前缘剪出口均位于坡腰，后缘至山包顶部，属沿全风化底部缓倾软弱夹层滑移，经削坡减载处理后，现状滑坡整体处于基本稳定状态。

3、天然建筑材料

工程区周边残坡积土层普遍厚度较薄，属高液限、高塑性指数土，天然含水率过高，且涉及基本农田，不适宜做为防渗土料。工程区广布峨眉山组玄武岩，选择距离坝址8km 的新寨风化料场作为坝体培厚填筑料，料场岩性为峨眉山组第二段（P2β2）玄武岩。

三、扩建加坝方案

猫鼻子水库大坝运行近62年，经过多年的固结，坝体无稳定问题，加之除险加固已重新对坝体上游进行了砼预制块防护，坝顶为砼路面，因此在猫鼻子水库坝体上进行加高扩建，是较为经济合理的。

土石坝加高的方案主要有从坝顶加高、从下游坡加高、从上游坡加高等方案，加高方案需结合原坝体、坝基及材料及运行的具体情况选择。本工程通过综合分析，采用从大坝下游进行加高培厚坝体的方案，以原坝顶为起坡点，顺上游以1：2.5坡比加高至2336.800m高程，坝轴线向下游平移30.275m， 坝顶加高10.31m。扩建后坝顶高程 2336.80m，坝顶宽8m，坝顶长229.00m，最大坝高 50.51m。

四、大坝设计分区及填筑标准

大坝扩建填筑分区按照“尽可能利用老坝体，充分利用右岸古滑坡体开挖料及枢纽区建筑物开挖料”的原则，依次分为坝顶加高区（成槽土料Ⅰ区）、反滤层区（Ⅱ区）、坝壳风化料（Ⅲ区）、坝壳大坝右岸开挖料（Ⅳ区）、褥垫式排水区（Ⅴ区）、原坝体排水棱体区（Ⅵ区）、原坝体区（Ⅶ区）共7个区及砼防渗墙。

培厚加高填筑标准

五、大坝防渗设计

工程区缺乏合格的防渗土料，对砼防渗墙与土工膜防渗方案进行了比较，砼防渗墙方案在经济性、可靠性和耐久性方案均优于土工膜防渗方案。因此，加高后的坝体设置一道混凝土防渗墙，一次性解决坝体渗漏问题。

目前，用于防渗墙的砼材料主要有刚性混凝土和柔性混凝土，刚性砼常用钢筋砼、常规素砼、黏土砼，柔性材料有塑性砼、自凝灰浆或固化灰浆等。

猫鼻子水库大坝最大高度50.51m，防渗墙最大高度52.05m，老坝体及基础深度占防渗墙高度的59%，考虑到防渗墙深度大，老坝体已经历60年的固结沉降，设计时防渗墙材料选择适应变形大，弹模强度低，同时又要考虑受力，有一定强度要求。针对该项目的具体情况并参考该地区已建工程，推荐塑性混凝土防渗墙。

根据砼主要性能及参考已建相似工程情况，结合本工程自身特点提出防渗墙性能指标：抗压强度R28=4-6Mpa，R28以≥5Mpa控制；弹性模量：初始模量E0<500Mpa，E28<1500MPa；抗拉强度：0.7Mpa；塌落度：18～22cm；扩散度：34～38cm；渗透系数k≤1×10-7cm/s。

混凝土防渗墙厚度的确定：

防渗墙在混凝土设计指标确定之后，其厚度的确定是个重要问题，厚度过大会造成大量浪费，偏小则不能满足防渗、强度等功能要求。在确定墙体厚度时考虑的因素主要是：①、要有足够的抗渗及耐久性能；②、要满足结构强度要求；③、要满足变形要求；④、施工设备；⑤、环境水质要求。

在渗透压力作用下，防渗墙耐久性最为重要，其厚度按下式计算：

B=H/Jp

式中，B——防渗墙厚度，m；

      H——防渗墙承受的最大水头，m；

      Jp——防渗墙的允许水力梯度；

根据目前我国已建的大部分混凝土防渗墙工程的允许水力梯度来看，刚性砼防渗墙可达80~100，塑性砼50~60，参照其他类似工程，本工程Jp取60。经渗流稳定计算得知，本工程防渗墙承受的最大水头H为43.9m，计算得B=43.9/60=0.73m，结合施工及参考已建类似项目，本工程取墙厚度为0.8m。

防渗墙使用年限计算：

防渗墙采用塑性砼，墙厚0.8m，最大作用水头43.9m，水泥用量下限80~120kg/m3（仅用于使用年限计算），墙体渗透系数1×10-7cm/s，单轴抗压强度R28=4Mpa。根据国内研究成果，防渗墙使用年限采用下列公式计算：

T=0.25αVC/Q(M—M0)  （年）

式中：α­水泥中氧化钙的总含量，%；（取60%）

V—防渗墙单位面积上砼的体积，m3；（取0.8m3）

C—砼的水泥用量，kg/m3；（塑性砼取≥80kg/m3）

M—渗出液的氧化钙浓度，kg/m3；（塑性砼取0 .1kg/m3）

M0—渗出液在经过防渗墙以前的氧化钙浓度，kg/m3；（取0 kg/m3）

k—防渗墙渗透系数，取k=1×10 –7cm/s。

A—防渗墙单位面积，取A=1m2。

J —防渗墙允许渗透比降，J=H/δ=43.9/0.8=54.9

Q—防渗墙单位面积一年内的渗水量，m3/a。

Q=kAJ=1×10 –9×365×86400×1×44/0.8=1.734（m3/a）

代入上式[ T=0.25αVC/Q(M—M0) ]防渗墙使用年限T≥55年，满足水库大于50年设计使用寿命要求。

六、坝基防渗设计

采用防渗墙与帷幕灌浆结合的方式，防渗墙轴线与下部帷幕灌浆轴线重合。新老坝体采用砼防渗墙防渗，坝体基础及两岸采用帷幕灌浆防渗，混凝土防渗墙深入强风化基岩≥1m并与墙底以下帷幕灌浆结合。

防渗帷幕边界：两岸帷幕线以正常蓄水位线与不透水层相交处确定，底界进入5Lu下5m。左岸由左坝肩（建基面）向外延伸89m，右岸由右坝肩向外延伸183m；由于左岸山体较陡，设2.5m×3.0m城门洞型灌浆平洞。帷幕灌浆总体布置1排，孔距为1.5m，帷幕灌浆轴线总长501m。灌浆方式采用孔口封闭、自上而下分段循环式灌浆法；灌浆段长度第一段为2.0m，第二段为2.0～3.0m，第三段以下均为5.0m，终孔段长不得超过6.0m。基岩与坝土接触带为一个灌段，该段应进行加强灌浆。

坝基帷幕灌浆在防渗墙浇筑混凝土后进行，采用在防渗墙内预埋灌浆管的成孔方法。为了保证成孔质量，预埋灌浆管宜布置在相邻混凝土导管间的中心位置。预埋管的底部和上端采用角钢固定牢固，中部可用钢筋定位架定位，如三峡水利枢纽工程二期围堰防渗墙创造的定位架预埋钢管法，灌浆预埋管成功率达96.5%，为深防渗墙下灌浆埋管提供了成功的经验。

七、结束语

猫鼻子水库扩建工程采用原址扩建，从后坝坡进行培厚加高，不但保留了原坝体，而且对建筑物开挖料、右岸滑坡体开挖料均进行了充分利用，通过砼防渗墙结合坝基帷幕处理，保证了大坝的防渗及安全运行，取得了较好的经济效益和环境效益。在土石坝设计中，筑坝材料的研究和选择，以及开挖料的合理利用，是大坝设计是否经济合理的关键。砼防渗墙在土石坝的除险加固、改扩建、以及新建土石坝工程中得到广泛应用，其可靠性及耐久性都得到了充分的证实，具有较好的推广价值。

参考文献：

[1]雷臻.水库大坝防渗设计分析[J].黑龙江水利科技,2012(11):54-56