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。工程规模为小（2）型，工程等别为Ⅴ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（P2β）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5～10m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3～6m左右，本工程为满足防浪墙底高于正常蓄水位的要求，选定防浪墙底高程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。