銅鑼徑水庫擴建工程壩型比選及穩(wěn)定分析

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　摘要：為了滿足深圳市橫崗鎮(zhèn)供水系統(tǒng)用水的迫切需要，同時為擬建的三洲田抽水蓄能電站下庫做準備，銅鑼徑水庫擴建改造。針對擴建初擬的堆石心墻壩和堆石厚斜墻壩兩種壩型進行比選和穩(wěn)定性分析。

　　關(guān)鍵詞：水資源利用水利綜合開發(fā)水庫改建工程壩設(shè)計堆石壩設(shè)計方案經(jīng)濟效益

　　1工程簡述

　　銅鑼徑水庫位于深圳市橫崗鎮(zhèn)，水庫擴建工程是深圳市供水網(wǎng)絡(luò)橫崗調(diào)蓄工程的主要組成部分。橫崗調(diào)蓄工程，是將位于橫崗鎮(zhèn)境內(nèi)的銅鑼徑水庫擴建成中型水庫，并建提水泵站及鋪設(shè)輸水管道，與經(jīng)過此地的外調(diào)水源網(wǎng)絡(luò)干線相連。目前已完成提水泵站及鋪設(shè)輸水管道的建設(shè)，水庫擴建工程的實施迫在眉睫。

　　目前銅鑼徑水庫作為深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線的聯(lián)網(wǎng)水庫，其擴建工程是增加深圳市供水系統(tǒng)水庫調(diào)蓄能力的需要；同時隨著橫崗鎮(zhèn)社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，用水量增長迅速，而有限的水資源和庫容資源明顯制約了經(jīng)濟的發(fā)展，水庫擴建是水資源充分利用及下游防洪的需要及橫崗鎮(zhèn)用水的迫切要求；同時銅鑼徑水庫的有較好的位置及擴建優(yōu)勢。水庫擴建也是三洲田抽水蓄能電站實施的需要，目前深圳市調(diào)峰電力機組接近70％是燃油機組，運行經(jīng)濟性差，需要大量淘汰，調(diào)峰電力短缺。鑒于抽水蓄能電站多方面的優(yōu)越性，深圳市擬建抽水蓄能電站，其推薦方案為三洲田—銅鑼徑組合方案，電站的下庫為銅鑼徑水庫。要求下庫日調(diào)節(jié)庫容約700萬m3，故水庫擴建也是為興建三洲田抽水蓄能電站作準備。電站的運行也要求水庫大壩能滿足水位的較大變化。

　　經(jīng)水量平衡計算及考慮電站運行需要，要求擴建后銅鑼徑水庫正常庫容1610萬m3，主壩壩頂高程80m，現(xiàn)壩頂高程68.35m，需加高11.65m.原主壩橫斷面。

　　2方案選擇

　　由于抽水蓄能電站的運行，將使得水庫在4小時內(nèi)水位變化約10m，在此時段大壩處于水位的快速變化之中，對于壩坡的穩(wěn)定有極大的影響，現(xiàn)狀的均質(zhì)土壩壩型不能適應(yīng)。初擬兩個加壩方案如下。

　　方案1，利用原有主壩，在原大壩基礎(chǔ)上加高培厚?？紤]水庫水位變化較大，因此上游壩坡以堆石護坡，與原壩坡之間以砂礫石反濾層過渡，形成堆石厚斜墻壩壩型。堆石厚度以上游壩坡穩(wěn)定計算成果為依據(jù)。優(yōu)點：利用了原有主壩，節(jié)約了一定的工程量。缺點：在現(xiàn)有壩體前坡堆石，侵占了部分庫容。

　　方案2，考慮到水位變化對壩坡穩(wěn)定的要求，在現(xiàn)有主壩下游重新選線新建瀝青混凝土心墻堆石壩，拆除原有主壩。優(yōu)點：更能適應(yīng)水位變化，庫容比方案一略大。缺點：主壩右壩肩山頭呈三角形，由于現(xiàn)有主壩右壩肩占據(jù)有利建壩位置，新建大壩如要利用原壩作圍堰，則需建于其下游位置，新壩右壩肩不能與山頭很好連接，壩肩滲流問題突出，壩軸線較長，工程量較大。如果將新壩右壩肩布置在現(xiàn)有主壩壩肩處，上述問題即可解決，需要拆除現(xiàn)有主壩中、下游壩體—以前坡?lián)跛┕ざ咽瘔蜗掠螇误w及防滲心墻—拆除現(xiàn)有主壩上游壩坡—施工堆石壩上游壩坡，但施工干擾大，施工困難。且需要拆除原有主壩及副壩，拆除工程量大，工期較長。

　　3大壩壩坡穩(wěn)定分析

　　根據(jù)工程類比，對堆石壩采用1∶1.5坡比，能夠滿足穩(wěn)定性要求，因此不再進行穩(wěn)定性分析。對于方案1中的土壩選取最大斷面，即河床中心線斷面作為代表性剖面，分別對上游壩坡、下游壩坡進行了穩(wěn)定性計算。計算過程應(yīng)用“土壩滲流計算程序”計算壩體在各種工況下的浸潤線，在已有浸潤線基礎(chǔ)上應(yīng)用“土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序”計算壩坡穩(wěn)定。

　　1）“土壩滲流計算程序”采用水力學(xué)方法按達西定律計算土壩滲流，可確定不透水地基、透水地基均質(zhì)土壩和心墻壩的滲流量與浸潤線位置并繪出圖形。方案1中壩前坡堆石，其滲流系數(shù)較大（與粘土壩體相差約3個數(shù)量級），基本不擋水，可忽略不計，因此本壩型同透水地基上的均質(zhì)土壩。輸入變量計算成果。

　　2）土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序按照“水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范”及“碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范”編制。采用了瑞典條分法和考慮土條水平側(cè)向力的簡化畢肖甫法。程序有四種計算方式，即優(yōu)選法、網(wǎng)格法、及混合法。本次計算采用優(yōu)選法，先給定圓心座標x1、y1、滑弧深度Dp和它們各自的變化步長。第1步，y1、Dp不變，x1變步長算5次，找出最小安全系數(shù)對應(yīng)的x1；第2步，x1、Dp不變，y1變步長算5次，找出最小安全系數(shù)對應(yīng)的y1；第3步，x1、y1不變，Dp變步長算5次，找出最小安全系數(shù)對應(yīng)的Dp，此為一個循環(huán)完成，如精度不滿足要求，將上一循環(huán)中最小安全系數(shù)對應(yīng)的x1、y1、Dp作為新的初始值，繼續(xù)計算，向最小安全系數(shù)逼近，直到滿足要求為止。根據(jù)《銅鑼徑水庫安全鑒定》中壩體土力學(xué)指標及水庫擴建土料場初步勘探，壩體填筑土方及壩基力學(xué)指標。

　　①正常蓄水狀態(tài)下壩坡穩(wěn)定性

　　經(jīng)過計算，主壩、1號副壩、2號副壩對應(yīng)的安全系數(shù)?？梢钥闯?，在正常蓄水狀態(tài)下，土壩壩坡穩(wěn)定具有一定的安全裕度。

　　②水位驟降對壩坡穩(wěn)定性的影響

　　為了模擬水位驟降對壩坡穩(wěn)定性的影響，對水位驟降分別考慮：水位驟降10m時和水位驟降20m.水位驟降的影響通過在相應(yīng)的滲流計算得到滲流體積力的增加來實現(xiàn)。利用模式優(yōu)化方法搜索水位驟降各階段時壩坡的最危險滑面位置和安全系數(shù)，其對應(yīng)的安全系數(shù)值如下。壩坡在水位驟降條件下，壩坡的穩(wěn)定性小，但能夠滿足穩(wěn)定性要求。

　?、鄣卣鹋c水位驟降組合條件下壩坡穩(wěn)定性的影響

　　地震對壩坡穩(wěn)定性的影響通過考慮地震加速度對于壩坡穩(wěn)定的影響。與水位驟降組合條件下，是壩坡穩(wěn)定的最不利工況。銅鑼徑水庫大壩壩址位置地震烈度為VII度，對應(yīng)的地震加速度為0.1倍重力加速度。在此條件下，對應(yīng)的安全系數(shù)值如下。說明壩坡在地震與水位驟降組合條件下，采用堆石護坡可以滿足設(shè)計標準的要求。

　　根據(jù)計算，方案1中主壩在原壩壩址位置加高培厚，并在上游采用堆石護坡，能夠滿足壩坡穩(wěn)定性要求。對于1號、2號副壩，采用新建土壩，并在上游采用堆石護坡，也能夠滿足壩坡穩(wěn)定性要求。

　　4投資估算及結(jié)論

　　經(jīng)過計算，方案1總投資約為9376萬元；方案2總投資約為12560萬元。方案1投資小于方案2，因此在兩種加壩方案均能滿足工程需要的前提下，推薦方案1為實施方案。水庫擴建工程的實施對緩解橫崗鎮(zhèn)的缺水矛盾，促進橫崗鎮(zhèn)、龍崗鎮(zhèn)以至全市的經(jīng)濟發(fā)展有相當重要的作用。