小石口水庫(kù)壩型分析與比選

王艷軍

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

小石峪河為桑干河流域黃水河支流，河道窄而曲折，至三岔村處略顯開(kāi)闊，河型為蜿蜒分叉型，河道常年有清水，流域面積200.93km2。小石口水庫(kù)擋水建筑物推薦方案采用混凝土面板堆石壩，最大壩高46.3m，總庫(kù)容317萬(wàn)m3，工程規(guī)模為小（一）型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)。大壩洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s，相對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。建筑物抗震設(shè)防烈度為7度。

2 壩址工程地質(zhì)條件

壩址處小石峪河上游段河流流向?yàn)镹60°～70°E，在壩址處為 N19°W，下游段河流流向?yàn)?N40°～50°W。小石峪河在此形成近“S”型河谷彎道，壩址選在較順直河段。壩址處河谷底寬45～55m，主河床靠近左岸，谷底地形較為平緩，地面高程1276～1279m。兩岸均為巖質(zhì)岸坡。左岸岸坡較緩，坡度40°～50°，為凸岸，與河床高差約100m；右岸為高陡岸坡，坡度50°～70°，與河床高差約180m，河谷斷面呈不對(duì)稱“U”型。

壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀為 N20°～30°E/SE∠35°～55°，傾向上游偏右岸，局部受擠壓變形巖層傾角增大。左壩肩距河谷約200m處發(fā)育F1斷層，為壓扭性逆斷層，產(chǎn)狀N12°E/SE∠75°，斷距約15m，斷層帶寬5～10cm。主要由云母斜長(zhǎng)角閃片麻巖組成，巖性較軟，且擠壓變形較明顯，透水性較差，斷層影響帶寬約5m。該壩址巖體中主要發(fā)育4 組節(jié)理裂隙：第 1 組 N5°～15°E/NW 或 SE∠76°～85°；第 2 組 N40°～50°W/NE∠71°～83°；第 3 組 N50°～60°E/SW 或 NW∠55°～65°；第 4 組 N60°～70°W/NE∠25°～45°。其中第1組和第2組較發(fā)育，裂隙面較平直，受風(fēng)化和谷底卸荷影響，節(jié)理裂隙均有不同程度張開(kāi)，寬1～15cm，無(wú)充填或少量泥質(zhì)充填，局部有鐵質(zhì)浸染，向巖體內(nèi)部裂隙逐漸閉合。

3 壩型分析與比選

從地形來(lái)看，壩址處河谷狹窄，兩岸岸坡較陡，重力壩、拱壩比較適合，因兩岸均存在一定寬度的卸荷帶，對(duì)拱壩拱座穩(wěn)定不利，因此不考慮拱壩。鑒于當(dāng)?shù)厥媳容^豐富，考慮混凝土面板堆石壩方案與堆石混凝土重力壩方案進(jìn)行比較。

混凝土面板堆石壩可以就地取材，壩體適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)，基礎(chǔ)處理費(fèi)用低，工期短，施工技術(shù)簡(jiǎn)單，工序之間干擾小。但壩身不易布設(shè)泄洪建筑物，需修建岸邊式溢洪道；運(yùn)行過(guò)程中需對(duì)上、下游壩坡進(jìn)行經(jīng)常性維護(hù)。

堆石混凝土重力壩筑壩材料強(qiáng)度高，耐久性好，運(yùn)行管理方便；泄洪建筑物能結(jié)合大壩布置，不需另設(shè)岸邊溢洪道。但壩體施工技術(shù)要求高，混凝土施工受氣候影響大；對(duì)壩基要求高，基礎(chǔ)處理復(fù)雜。

3.1 地形地質(zhì)條件

從工程地質(zhì)條件分析，混凝土面板堆石壩對(duì)地基變形的適應(yīng)性能較好，對(duì)地基承載力要求不高，壩基混合土卵石層和強(qiáng)風(fēng)化層較薄，基礎(chǔ)處理工作簡(jiǎn)單。從地形上看，左岸有天然埡口且地形較緩，泄水建筑物可布置在左岸。堆石混凝土重力壩對(duì)基礎(chǔ)巖石要求較高，大壩須座落在弱風(fēng)化中上基巖上。據(jù)鉆孔資料顯示，壩基為卵石混合土層，局部為漂石，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，具有強(qiáng)透水性，厚度為3.5～6m。覆蓋層下部基巖巖性以斜長(zhǎng)角閃片麻巖和片麻花崗巖為主，夾二云變粒巖、斜長(zhǎng)角閃巖和云母斜長(zhǎng)角閃片麻巖等，巖性堅(jiān)硬，片麻狀構(gòu)選發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3m，弱風(fēng)化層厚10～20m。選擇重力壩基礎(chǔ)開(kāi)挖和基礎(chǔ)處理工程量相對(duì)較大。因此，從地形條件分析，堆石混凝土重力壩占有優(yōu)勢(shì)，從地質(zhì)條件看，混凝土面板堆石壩占有優(yōu)勢(shì)。

3.2 筑壩材料

堆石混凝土重力壩在山西省已有多座水庫(kù)大壩應(yīng)用，本工程內(nèi)巖性主要以斜長(zhǎng)角閃片麻巖和片麻花崗巖為主，堆石混凝土材料在山西省還未使用過(guò)，需要進(jìn)行材料可行性科學(xué)試驗(yàn)。本方案需要混凝土粗、細(xì)骨料多，工程區(qū)內(nèi)缺乏混凝土細(xì)骨料，需外購(gòu)或采用人工制砂。混凝土面板堆石壩混凝土用量相對(duì)較少，需要大量筑壩堆石料。壩址區(qū)塊石料儲(chǔ)量豐富，選用的石料場(chǎng)位于壩軸線上游200m的右岸山體，運(yùn)距近，儲(chǔ)量和質(zhì)量均滿足要求。另外，溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞開(kāi)挖石料大部分可作為壩體堆石區(qū)用料。

從筑壩材料分析，堆石混凝土重力壩筑壩材料需作科學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)費(fèi)用高，而混凝土面板堆石壩就地取材，筑壩費(fèi)用相對(duì)較低，因此，混凝土面板堆石壩優(yōu)于堆石混凝土重力壩。

3.3 建筑物布置

混凝土面板堆石壩壩頂長(zhǎng)145m，壩頂寬6m，壩頂高程1318.5m，最大壩高46.3m。大壩上下游壩坡均為1∶1.4，下游壩坡在高程1304.5m和1290.5m設(shè)有2m寬的馬道。下游壩面采用干砌塊石護(hù)坡，厚度40cm。壩體從上游到下游依次分為上游鋪蓋區(qū)、上游蓋重區(qū)、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、下游護(hù)坡。墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)水平寬度均為3.0m。面板和趾板采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土，面板為等厚度（40cm），分塊寬度12mm。趾板寬度按灌漿施工要求確定為5m，厚度0.5m。面板及趾板分縫采用止水銅片和GB塑性填料。趾板置于弱風(fēng)化巖層上部，其余堆石壩殼基礎(chǔ)座落在河床強(qiáng)風(fēng)化層上，需清除河床上部淤積層及松散層。趾板下設(shè)帷幕灌漿和固結(jié)灌漿。

堆石混凝土重力壩包括溢流壩段、擋水壩段和沖沙底孔壩段。大壩壩軸線垂直兩岸地形布置，從左岸至右岸依次為左岸擋水壩段、溢流壩段、沖沙底孔壩段和右岸擋水壩段，壩頂長(zhǎng)152.6m，其中左岸擋水壩段長(zhǎng)32.2m、溢流壩段長(zhǎng)44m、沖沙底孔壩段長(zhǎng)7.5m右岸擋水壩段長(zhǎng)68.9m，壩頂寬8.0m。溢流壩段布置在主河槽上，最大壩高45.3m，最大壩底寬52.7m，溢流堰凈寬40m，堰頂高程1313m，建基面高程1267.7m，位于弱風(fēng)化層中上部，堰面采用“WES”曲線，堰頂布置交通橋，橋?qū)?m。擋水壩段最大壩底寬47.32m，最大壩高49m，壩頂高程1316.7m，壩頂寬8.0m；防浪墻高1.2m，防浪墻頂高程1317.9m。壩內(nèi)1298m高程及1270m高程分別設(shè)有灌漿排水廊道，城門洞型斷面，寬2.5m，高3.5m，C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。取水口布置在左岸擋水壩段，取水口底板高程1308.7m，進(jìn)口設(shè)閘門控制，通過(guò)直徑800mm的壓力鋼管輸水至壩下游。

從建筑物布置上看，重力壩方案擋水、泄水及取水建筑物均布置在壩體上，布置緊湊、占地面積?。幻姘宥咽瘔畏桨笁误w結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但壩體占地面積大，需要在兩岸布置泄洪及取水建筑物。因此，從工程布置上看，重力壩優(yōu)于面板堆石壩。

3.4 施工條件

在施工布置上，堆石混凝土重力壩的泄洪建筑物布置在壩體中部，二者施工干擾大，工期相應(yīng)延長(zhǎng)；混凝土面板堆石壩的大壩與泄洪建筑物分開(kāi)布置，施工互不影響，可以縮短工期，泄洪建筑物的開(kāi)挖料也可作為大壩填筑材料使用。從施工布置方面看，混凝土面板堆石壩優(yōu)于堆石混凝土重力壩。

3.5 運(yùn)行管理

堆石混凝土重力壩筑壩材料強(qiáng)度高，耐久性好，泄洪建筑物能結(jié)合大壩布置，不需另設(shè)岸邊溢洪道，沖沙效果好，運(yùn)行管理方便；混凝土面板堆石壩運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)上、下游壩坡進(jìn)行經(jīng)常性維護(hù)，泄洪洞沖沙效果較差。從運(yùn)行管理方面看，堆石混凝土重力壩優(yōu)于混凝土面板堆石壩。

3.6 工程量及投資

根據(jù)兩種壩型的主要工程量及投資進(jìn)行計(jì)算可知，混凝土面板堆石壩比堆石混凝土重力壩直接節(jié)省投資1558.51萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

大壩是水庫(kù)工程中非常重要的建筑物，在工程投資中所占的比重較大，因此選擇合理的壩型十分重要。通過(guò)地形、地質(zhì)條件、筑壩材料、建筑物布置、施工條件、運(yùn)行管理、工程投資的綜合比較，認(rèn)為混凝土面板堆石壩優(yōu)于堆石混凝土重力壩。因此，本階段推薦采用混凝土面板堆石壩。