龙照庵水库砌石微拱重力坝优化设计与探讨

龙照庵水库砌石微拱重力坝优化设计与探讨

李焱平¹　陆加林²

（1.嵩明县水利勘测设计队　2.昆明市水利水电勘测设计院）

摘要：龙照庵水库浆砌石重力坝高41.5m，通过采用微拱技术对重力坝应力分布进行合理调整，使坝的运行更安全，同时成功地在大坝溢洪道设计中采用阶梯坝面消能工形式，消能效果较为理想，使工程设计布置更加合理并节省投资。目前大坝已安全运行十余年。

关键词：砌石微拱重力坝　阶梯坝面消能

一、工程概况

龙照庵水库位于嵩明县城东北的小街镇牛足村委会龙照庵村，距县城18km，水库控制径流面积2.75km²，总库容71.6×10⁴ m³。水库枢纽建筑大坝为砌石微拱重力坝，最大坝高41.5m。

水库库区为河谷型库盆，植被覆盖良好，多年平均降雨量901.9mm，年平均径流量81.3×10⁴ m³，年平均气温14.2℃。坝址河谷呈“梯”形，坝址区出露地层为三叠系飞仙关组砂岩、页岩、泥岩等互层。

水库建成后，可解决小街镇1万余人、6 000多头大小牲畜的饮水问题，并可增灌水田150亩，改善灌溉1 050亩及建设1 500亩水浇地，这对于促进小街镇的农业生产、改善群众生活条件取到了不可替代的重要作用。

二、坝型选择与优化设计

图1　砌石坝横断面图

（一）坝型选择比较

龙照庵水库大坝设计经过多方案坝型的比较论证，最终选择了砌石微拱重力坝，其主要依据为：（1）当地缺乏修建土坝所需的土料，而在距坝址300m远的地方有储量较丰富的石料，可充分利用该石料修建水库大坝；（2）坝址处地质情况复杂，两坝肩及河床强风化严重，弱风化岩层埋藏较深，不具备修建拱坝所需的地质条件。

（二）设计方案布置及特点

1.工程设计方案布置

龙照庵水库为砌石微拱重力坝，最大坝高41.5m，坝顶宽4m，底宽29.5m，大坝轴线呈圆弧形，长103.3m。上游坝面在高程89.5m（均为假设高程）处向上游放1∶0.15的坡，下游坝面在高程110.0m处向下游放1∶0.75的坡，坝身由坝面、心墙及坝心三部分组成。上下游坝面采用M10水泥砂浆砌条石而成，厚度为60cm。防渗心墙采用C20砼浇筑，心墙在两坝肩延伸至基岩下1m深，其厚度根据坝高分为100cm、80cm和60cm三台不等，设计抗渗标号为S6，坝心采用100^＃细石砼块石填筑。坝身内设排水灌浆廊道，坝左岸设放水涵管，坝顶设开敞式溢洪道，宽4m，消能方式为阶梯坝面消能工。

2.砌石微拱重力坝应力情况

水库坝址处岩层走向基本与坝轴平行，倾角为80°左右，方向向下游，岩性为石英砂岩、泥岩及页岩的互层，考虑到各岩层风化情况不同，致使开挖深度不一，在浇筑砼底板后，砼底面与不同开挖深度的基岩自然形成了齿合整体，不易形成平面滑动及深层滑动。因此，最不利的滑动面选择为砼底板与砌石体的结合面，以该面进行稳定分析计算。

分析计算，计算成果见表1：

表1坝基稳定及坝基应力计算成果表

从表中可看出，第三种荷载组合形式（即正常蓄水位加地震荷载）情况下，抗剪安全系数最小，未达到规范要求。因此，必须采取一定的工程措施，来提高抗剪安全系数，满足设计及规范要求。

经过多方案的研究及比选后，终于确定了切实可行、安全合理，并在一定程度上可节约投资的强化抗滑措施设计方案，主要特点体现在以下几方面：

（1）固结灌浆孔中插入钢筋，增强抗滑稳定性。

大坝基础因考虑岩性强度不一，而开挖深度各异。基础开挖后在其上浇筑C15埋石砼底板作为坝基，这样利用原生几个砂岩条带形成巨大的抗滑齿，同时通过基岩固结灌浆和在每个灌浆孔中插入一根28钢筋，使砼大板与基岩牢固连为一体，对坝基抗滑稳定提供了有力保障。

（2）砼大板浇筑为反坡，增强抗滑稳定性。

为保证坝身砌体与砼大板基础之间的抗滑稳定，通过反复比较计算，将砼大板浇筑为反坡，倾向上游，倾角约3度，上下游高差1.5m，利用坝身自重的水平分力加大抗滑力。

（3）设置抗滑键，增强抗滑稳定性。

为增强其抗剪能力，特在斜坡砼坝基范围内设置三道抗滑键，间距为10m，第一道设在防渗墙后，余下两道顺延。抗滑键由一系列的钢轨及外浇砼构成，其钢轨设在基础底板与砌石体之间，抗滑键高0.8m，宽1.0m，钢轨间距为0.5m（双排布置），钢轨间采用三根14的钢筋将其焊接为一体，使其增加整体抗滑效果。

（4）采用微拱布置增强整体抗滑能力。

大坝体形设计中，下游坡比及坝顶宽度是控制坝体工程量的主要参数之一，省内同级高度砌石重力坝多采用下游坡比1∶0.8。本工程经过体形优化，坝下游坡比采用1∶0.75，并引入平面微拱重力坝布置，微拱圆心角为2＝10°，半径r₁＝592m。该坝布置形式是在昆明市同类坝型中的首次应用，它通过微弧拱将部分水压力形成的坝身应力向两岸基岩传递，形成拱效应，加大了大坝的抗滑能力。采用拱梁分载法对应力分析计算结果表明，由于采用微拱布置，在重力坝安全稳定的前提下，微拱布置进一步增加了大坝稳定安全裕度。拱效应应力情况显示，在各种运行工况组合下，随大坝高度增加、拱圆心角的加大，拱效应亦随之加大，坝端抗滑能力也得到加强。在接近坝顶（4/5坝高）处，拱向轴压应力达到最大值，其坝端抗滑安全系数接近合理。微拱应力分布基本符合拱坝应力分布规律。同时也可看出，右岸坡度较左岸陡，所以安全系数也较左岸稍大，这与重力坝正好相反。计算分析结果证明，微拱重力坝除具有重力坝自身抗滑稳定能力外，还具有拱坝特性，即利用坝上部拱冠所形成的一道可靠的抗滑梁，与坝身组成一体并与坝基共同作用，保证抗滑稳定。这种共同作用会随库水位变化而自行调整，库水位越高，坝顶部拱效应抗滑稳定安全系数越大。此外，微拱重力坝布置可在一定程度上减小工程量。因此，微拱重力坝是值得推广的一种坝型。

通过以上工程措施，抗滑稳定安全系数得到很大的提高，具体计算如下：由正常水位＋地震工况计算成果得：总竖向力SW＝1164.435吨总水平推力SV＝－785.22吨抗滑键中埋入18号（yB222－63－18）轻轨，每根截面积为23.07cm²，布置为4根/米（双排），则：

K＝0.65×1164.435/（785.217－4×23.07）

＝1.092＞1.0满足抗滑要求。

3.溢洪道优化设计

龙照庵重力坝坝址处，河谷狭窄，岸坡陡峭，坝址前河槽突向右转向40余度。如采用挑流消能布置，溢洪道水流将冲击对岸山体，泄流不畅；而采用底流消能形式，则消能长度难以布置。经过多方案的比选，并与昆明理工大学合作，最终成功地采用了阶梯坝面消能工设计。

溢洪道设在砌石坝中段偏右，距右坝顶46m，堰顶高程111.6m，采用美国陆军工程兵团WES标准型溢流堰剖面，其剖面曲线方程为X^1.85＝2 Hd^0.85 Y，溢流堰宽4.0m，溢流坝面为C20钢筋砼结构，坝坡阶梯尺寸采用了三种尺寸，从高程108m起至高程106.5m采用4级过渡台阶，1～2级台阶高为0.3m，宽为0.23m，3～4级台阶高为0.45m，宽为0.34m，过渡台阶完后紧接标准台阶，即从高程106.5m～77.1m共49级标准台阶，尺寸为高0.6m，宽0.45m。整个阶梯消能采用了53级台阶，最大过流量Q_max＝14.40m³/s。

采用阶梯坝面消能工设计，具有以下特点：

（1）消能率。溢洪道下泄水流的动能，于阶梯间通过水流分散、掺气、掠流与凝滚的相互剪切以及强烈紊动混掺机制的作用而得以消散，其效率如下：

设计洪水下泄量q＝3.6（m³/s·m）　ηs（%）＝69.3校核洪水下泄量q＝5.38（m³/s·m）　ηs（%）＝65.4

（2）改善消力池布置。由于坝面阶梯消减了大于65%的能量，从而很大程度地改善了消力池的水流状态，消力池长度由底流消能时的16m缩减为8m，减少50%的工程量。同时为水流与下游河床顺畅衔接、保护下游河道免受冲刷创造了条件。该布置较为紧凑、协调、美观、运行方便。

（3）该溢流坝消能工，是云南省首次在砌石坝工程设计中采用的并较为成功的阶梯坝面消能形式。它具有消能效果好，工程投资省，便于工程布置等特点。该消能工目前在国内采用尚属不多，所以极具推广价值。

三、工程施工情况

基础开挖后揭露，右岸坝坡岩层较完整，左岸坝坡在104.0m高程处有一小断层，其余地方较完整，河床底部岩层坚硬完整，但在灰岩条带上有溶洞出露，溶洞发育方向垂直于地表，洞径大小不一，最大达1.2m，最小的仅0.2m。坝基填筑前，对溶洞采取埋管回填法进行处理，即用钢管插入孔内，周围用砂浆封填，管子的另一端接出坝外，以便排水或排气。

在进行坝身砌体施工初期，由于施工单位对砌石坝的施工方法及其质量认识不足，致使在高程100.0m以下坝身砌石体不够密实，通过七次容重试验，有四次没有达到设计要求。因此，对坝体进行了补强灌浆，直至满足设计指标。

四、工程运行情况

龙照庵水库于1999年6月通过验收。经过十余年的实际运行观察，坝下游面没有以往砌石坝的渗漏现象，坝内廊道排水孔最大出水量仅为0.635L/s，且该出流量与库水位变化无关，坝身没有观测到位移现象。大坝运行情况正常。综合分析表明，大坝工程施工质量达到设计要求。目前，水库正发挥着巨大的经济和社会效益，将洁净的清泉供向千家万户，为小街镇人民的健康及经济的可持续发展奠定了有力的物质保障。

五、结　语

龙照庵水库的建成并安全运行，标志着昆明市在砌石坝设计技术的创新方面又迈出了可喜的一步，该坝设计具有以下两方面的特点：（1）在同类坝型中，采用微拱技术对重力坝应力分布进行合理调整，使坝的运行更安全；（2）成功地在大坝溢洪道设计中采用阶梯坝面消能形式，消能效果较为理想，使工程设计布置更加合理并节省投资。