銅鑼徑水庫(kù)擴(kuò)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(shí)為擬建的三洲田抽水蓄能電站下庫(kù)做準(zhǔn)備，銅鑼徑水庫(kù)擴(kuò)建改造。針對(duì)擴(kuò)建初擬的堆石心墻壩和堆石厚斜墻壩兩種壩型進(jìn)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(kù)改建工程壩設(shè)計(jì)堆石壩設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)效益

　　1工程簡(jiǎn)述

　　銅鑼徑水庫(kù)位于深圳市橫崗鎮(zhèn)，水庫(kù)擴(kuò)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(kù)擴(kuò)建成中型水庫(kù)，并建提水泵站及鋪設(shè)輸水管道，與經(jīng)過(guò)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(kù)擴(kuò)建工程的實(shí)施迫在眉睫。

　　目前銅鑼徑水庫(kù)作為深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線的聯(lián)網(wǎng)水庫(kù)，其擴(kuò)建工程是增加深圳市供水系統(tǒng)水庫(kù)調(diào)蓄能力的需要；同時(shí)隨著橫崗鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，用水量增長(zhǎng)迅速，而有限的水資源和庫(kù)容資源明顯制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水庫(kù)擴(kuò)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(shí)銅鑼徑水庫(kù)的有較好的位置及擴(kuò)建優(yōu)勢(shì)。水庫(kù)擴(kuò)建也是三洲田抽水蓄能電站實(shí)施的需要，目前深圳市調(diào)峰電力機(jī)組接近70％是燃油機(jī)組，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(kù)為銅鑼徑水庫(kù)。要求下庫(kù)日調(diào)節(jié)庫(kù)容約700萬(wàn)m3，故水庫(kù)擴(kuò)建也是為興建三洲田抽水蓄能電站作準(zhǔn)備。電站的運(yùn)行也要求水庫(kù)大壩能滿足水位的較大變化。

　　經(jīng)水量平衡計(jì)算及考慮電站運(yùn)行需要，要求擴(kuò)建后銅鑼徑水庫(kù)正常庫(kù)容1610萬(wàn)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(yùn)行，將使得水庫(kù)在4小時(shí)內(nèi)水位變化約10m，在此時(shí)段大壩處于水位的快速變化之中，對(duì)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(gè)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(kù)水位變化較大，因此上游壩坡以堆石護(hù)坡，與原壩坡之間以砂礫石反濾層過(guò)渡，形成堆石厚斜墻壩壩型。堆石厚度以上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果為依據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：利用了原有主壩，節(jié)約了一定的工程量。缺點(diǎn)：在現(xiàn)有壩體前坡堆石，侵占了部分庫(kù)容。

　　方案2，考慮到水位變化對(duì)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(diǎn)：更能適應(yīng)水位變化，庫(kù)容比方案一略大。缺點(diǎn)：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(wèn)題突出，壩軸線較長(zhǎng)，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(wèn)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(zhǎng)。

　　3大壩壩坡穩(wěn)定分析

　　根據(jù)工程類比，對(duì)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(jìn)行穩(wěn)定性分析。對(duì)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(duì)上游壩坡、下游壩坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算。計(jì)算過(guò)程應(yīng)用“土壩滲流計(jì)算程序”計(jì)算壩體在各種工況下的浸潤(rùn)線，在已有浸潤(rùn)線基礎(chǔ)上應(yīng)用“土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序”計(jì)算壩坡穩(wěn)定。

　　1）“土壩滲流計(jì)算程序”采用水力學(xué)方法按達(dá)西定律計(jì)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(rùn)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(gè)數(shù)量級(jí)），基本不擋水，可忽略不計(jì)，因此本壩型同透水地基上的均質(zhì)土壩。輸入變量計(jì)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(jì)規(guī)范”及“碾壓土石壩設(shè)計(jì)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(jiǎn)化畢肖甫法。程序有四種計(jì)算方式，即優(yōu)選法、網(wǎng)格法、及混合法。本次計(jì)算采用優(yōu)選法，先給定圓心座標(biāo)x1、y1、滑弧深度Dp和它們各自的變化步長(zhǎng)。第1步，y1、Dp不變，x1變步長(zhǎng)算5次，找出最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的x1；第2步，x1、Dp不變，y1變步長(zhǎng)算5次，找出最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的y1；第3步，x1、y1不變，Dp變步長(zhǎng)算5次，找出最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的Dp，此為一個(gè)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(duì)應(yīng)的x1、y1、Dp作為新的初始值，繼續(xù)計(jì)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(kù)安全鑒定》中壩體土力學(xué)指標(biāo)及水庫(kù)擴(kuò)建土料場(chǎng)初步勘探，壩體填筑土方及壩基力學(xué)指標(biāo)。

　?、僬Ｐ钏疇顟B(tài)下壩坡穩(wěn)定性

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算，主壩、1號(hào)副壩、2號(hào)副壩對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。可以看出，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。

　?、谒惑E降對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響

　　為了模擬水位驟降對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)水位驟降分別考慮：水位驟降10m時(shí)和水位驟降20m.水位驟降的影響通過(guò)在相應(yīng)的滲流計(jì)算得到滲流體積力的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用模式優(yōu)化方法搜索水位驟降各階段時(shí)壩坡的最危險(xiǎn)滑面位置和安全系數(shù)，其對(duì)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(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響通過(guò)考慮地震加速度對(duì)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(kù)大壩壩址位置地震烈度為VII度，對(duì)應(yīng)的地震加速度為0.1倍重力加速度。在此條件下，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)值如下。說(shuō)明壩坡在地震與水位驟降組合條件下，采用堆石護(hù)坡可以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　根據(jù)計(jì)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(hù)坡，能夠滿足壩坡穩(wěn)定性要求。對(duì)于1號(hào)、2號(hào)副壩，采用新建土壩，并在上游采用堆石護(hù)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(guò)計(jì)算，方案1總投資約為9376萬(wàn)元；方案2總投資約為12560萬(wàn)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(shí)施方案。水庫(kù)擴(kuò)建工程的實(shí)施對(duì)緩解橫崗鎮(zhèn)的缺水矛盾，促進(jìn)橫崗鎮(zhèn)、龍崗鎮(zhèn)以至全市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有相當(dāng)重要的作用。