铜锣径水库扩建工程坝型比选及稳定分析

1工程简述

铜锣径水库位于深圳市横岗镇，水库扩建工程是深圳市供水网络横岗调蓄工程的主要组成部分。横岗调蓄工程，是将位于横岗镇境内的铜锣径水库扩建成中型水库，并建提水泵站及铺设输水管道，与经过此地的外调水源网络干线相连。目前已完成提水泵站及铺设输水管道的建设，水库扩建工程的实施迫在眉睫。

目前铜锣径水库作为深圳市供水网络干线的联网水库，其扩建工程是增加深圳市供水系统水库调蓄能力的需要；同时随着横岗镇社会经济的飞速发展，用水量增长迅速，而有限的水资源和库容资源明显制约了经济的发展，水库扩建是水资源充分利用及下游防洪的需要及横岗镇用水的迫切要求；同时铜锣径水库的有较好的位置及扩建优势。水库扩建也是三洲田抽水蓄能电站实施的需要，目前深圳市调峰电力机组接近70%是燃油机组，运行经济性差，需要大量淘汰，调峰电力短缺。鉴于抽水蓄能电站多方面的优越性，深圳市拟建抽水蓄能电站，其推荐方案为三洲田—铜锣径组合方案，电站的下库为铜锣径水库。要求下库日调节库容约700万m3，故水库扩建也是为兴建三洲田抽水蓄能电站作准备。电站的运行也要求水库大坝能满足水位的较大变化。

经水量平衡计算及考虑电站运行需要，要求扩建后铜锣径水库正常库容1610万m3，主坝坝顶高程80m，现坝顶高程68.35m，需加高11.65m.原主坝横断面。

2方案选择

由于抽水蓄能电站的运行，将使得水库在4小时内水位变化约10m，在此时段大坝处于水位的快速变化之中，对于坝坡的稳定有极大的影响，现状的均质土坝坝型不能适应。初拟两个加坝方案如下。

方案1，利用原有主坝，在原大坝基础上加高培厚。考虑水库水位变化较大，因此上游坝坡以堆石护坡，与原坝坡之间以砂砾石反滤层过渡，形成堆石厚斜墙坝坝型。堆石厚度以上游坝坡稳定计算成果为依据。优点：利用了原有主坝，节约了一定的工程量。缺点：在现有坝体前坡堆石，侵占了部分库容。

方案2，考虑到水位变化对坝坡稳定的要求，在现有主坝下游重新选线新建沥青混凝土心墙堆石坝，拆除原有主坝。优点：更能适应水位变化，库容比方案一略大。缺点：主坝右坝肩山头呈三角形，由于现有主坝右坝肩占据有利建坝位置，新建大坝如要利用原坝作围堰，则需建于其下游位置，新坝右坝肩不能与山头很好连接，坝肩渗流问题突出，坝轴线较长，工程量较大。如果将新坝右坝肩布置在现有主坝坝肩处，上述问题即可解决，需要拆除现有主坝中、下游坝体—以前坡挡水，施工堆石坝下游坝体及防渗心墙—拆除现有主坝上游坝坡—施工堆石坝上游坝坡，但施工干扰大，施工困难。且需要拆除原有主坝及副坝，拆除工程量大，工期较长。

3大坝坝坡稳定分析

根据工程类比，对堆石坝采用1∶1.5坡比，能够满足稳定性要求，因此不再进行稳定性分析。对于方案1中的土坝选取最大断面，即河床中心线断面作为代表性剖面，分别对上游坝坡、下游坝坡进行了稳定性计算。计算过程应用“土坝渗流计算程序”计算坝体在各种工况下的浸润线，在已有浸润线基础上应用“土石坝边坡稳定分析程序”计算坝坡稳定。

1）“土坝渗流计算程序”采用水力学方法按达西定律计算土坝渗流，可确定不透水地基、透水地基均质土坝和心墙坝的渗流量与浸润线位置并绘出图形。方案1中坝前坡堆石，其渗流系数较大（与粘土坝体相差约3个数量级），基本不挡水，可忽略不计，因此本坝型同透水地基上的均质土坝。输入变量计算成果。

2）土石坝边坡稳定分析程序按照“水工建筑物抗震设计规范”及“碾压土石坝设计规范”编制。采用了瑞典条分法和考虑土条水平侧向力的简化毕肖甫法。程序有四种计算方式，即优选法、网格法、及混合法。本次计算采用优选法，先给定圆心座标x1、y1、滑弧深度Dp和它们各自的变化步长。第1步，y1、Dp不变，x1变步长算5次，找出最小安全系数对应的x1；第2步，x1、Dp不变，y1变步长算5次，找出最小安全系数对应的y1；第3步，x1、y1不变，Dp变步长算5次，找出最小安全系数对应的Dp，此为一个循环完成，如精度不满足要求，将上一循环中最小安全系数对应的x1、y1、Dp作为新的初始值，继续计算，向最小安全系数逼近，直到满足要求为止。根据《铜锣径水库安全鉴定》中坝体土力学指标及水库扩建土料场初步勘探，坝体填筑土方及坝基力学指标。

①正常蓄水状态下坝坡稳定性

经过计算，主坝、1号副坝、2号副坝对应的安全系数。可以看出，在正常蓄水状态下，土坝坝坡稳定具有一定的安全裕度。

②水位骤降对坝坡稳定性的影响

为了模拟水位骤降对坝坡稳定性的影响，对水位骤降分别考虑：水位骤降10m时和水位骤降20m.水位骤降的影响通过在相应的渗流计算得到渗流体积力的增加来实现。利用模式优化方法搜索水位骤降各阶段时坝坡的最危险滑面位置和安全系数，其对应的安全系数值如下。坝坡在水位骤降条件下，坝坡的稳定性小，但能够满足稳定性要求。

③地震与水位骤降组合条件下坝坡稳定性的影响

地震对坝坡稳定性的影响通过考虑地震加速度对于坝坡稳定的影响。与水位骤降组合条件下，是坝坡稳定的最不利工况。铜锣径水库大坝坝址位置地震烈度为VII度，对应的地震加速度为0.1倍重力加速度。在此条件下，对应的安全系数值如下。说明坝坡在地震与水位骤降组合条件下，采用堆石护坡可以满足设计标准的要求。

根据计算，方案1中主坝在原坝坝址位置加高培厚，并在上游采用堆石护坡，能够满足坝坡稳定性要求。对于1号、2号副坝，采用新建土坝，并在上游采用堆石护坡，也能够满足坝坡稳定性要求。

4投资估算及结论

经过计算，方案1总投资约为9376万元；方案2总投资约为12560万元。方案1投资小于方案2，因此在两种加坝方案均能满足工程需要的前提下，推荐方案1为实施方案。水库扩建工程的实施对缓解横岗镇的缺水矛盾，促进横岗镇、龙岗镇以至全市的经济发展有相当重要的作用。