石河水庫樞紐布置方案比選

張 峰

（晉城市水利水電規(guī)劃處 山西晉城 048000）

1 基本概況

石河水庫工程位于澤州縣晉廟鋪鎮(zhèn)窯掌村東南，毗鄰河南搭界處的石河干流上。石河屬黃河流域沁河水系，發(fā)源于天水嶺一帶，河流由西北流向東南，水庫壩址以上控制流域面積74.9 km2，流域長23 km，流域平均寬3.26 km，河床縱坡23‰。水庫壩址以上約730 m處有東東水泉出露，泉水流量為0.03～0.05 m3/s左右。石河水庫是一座以農村人畜吃水為主，兼顧晉廟鋪工業(yè)園區(qū)工業(yè)供水的?。ㄒ唬┬退畮欤値烊?57.3萬m3。

為了攔蓄石河泉水和調節(jié)徑流，確?？菟诳晒┧?，初步擬定在石河干流新建攔河壩一座，該樞紐工程的確定直接影響工程投資與效益。因此，對樞紐壩型布置方案進行了比較。

2 壩址區(qū)地質條件

壩址位于澤州縣晉廟鋪鎮(zhèn)窯掌村東南的石河上，河流呈“S”形，河谷呈“V”形，地貌屬溶蝕侵蝕中山區(qū)。擬建壩址左岸為基巖岸坡，岸坡較陡，坡角75～80°；右岸岸坡分布坡洪積物，相對較緩，坡角65°～70°。壩址區(qū)出露地層由老到新依次為古生界寒武系上統(tǒng)、新生界第四系全新統(tǒng)地層。壩址區(qū)未發(fā)現大的斷裂構造。

壩址區(qū)出河床沉積有厚19.60 m的第四系全新統(tǒng)卵（漂）石混合土，右岸岸坡上堆積有第四系全新統(tǒng)坡洪積混合土塊石，壩基為寒武系上統(tǒng)灰質白云巖；壩基覆蓋層工程地質條件差，易形成滲漏通道。壩基灰質白云巖的主要滲漏通道為基巖節(jié)理裂隙，壩基鉆孔壓水試驗可知，壩基存在層面滲漏。

壩基巖性主要為灰質白云巖，弱風化，巖石較堅硬，但壩基弱風化巖體質量等級為Ⅲ級，且壩基存在傾向下游的高傾角裂隙，局部裂隙較發(fā)育。左、右壩肩裂隙較發(fā)育，存在高傾角裂隙，經野外測繪可知：局部存在溶隙、溶孔等喀斯特現象，可能形成滲漏通道，存在繞滲問題。

3 壩型分析

壩型比較是在壩址比較結論的基礎上，對推薦壩址的不同壩型進行綜合比較。根據推薦壩址處工程地質、地形條件，當地建設主要材料，適宜的壩型主要有混凝土面板堆石壩、漿砌石重力壩和堆石混凝土重力壩等。漿砌石重力壩施工機械化程度低、工期長，工程質量較難保證。因此綜合分析，本次設計擬定了目前國內技術成熟且應用較多的兩種壩型：面板堆石壩和堆石混凝土重力壩進行比較。兩種壩型方案比較重點是對地基要求，以及擋水、泄水建筑物的工程樞紐布置等不同方案進行比較。

4 樞紐布置方案

（1）堆石混凝土重力壩方案

堆石混凝土重力壩方案樞紐建筑物由擋水壩段、溢流壩段、沖砂閘段組成。

壩頂長66 m，壩頂寬8.0 m，溢流壩段長31 m，非溢流壩段長35 m，最大壩高44.7 m,最大壩底寬33.91 m，堰頂凈寬27 m，分3孔，無閘門控制。沖砂閘布置在大壩左側，為一孔，孔口尺寸2.5 m×3.0 m。

（2）面板堆石壩+右岸溢洪道+導流泄洪沖砂洞方案

在大壩右岸壩肩布置溢洪道，大壩左岸巖體內布置導流泄洪沖砂洞，在導流任務完成后用作泄洪沖砂洞。樞紐建筑物布置方式為擋水大壩、溢洪道和導流泄洪沖砂洞。

大壩為混凝土面板堆石壩型式，壩頂長55.0 m，壩頂寬6.0 m，最大壩高33.8 m。溢洪道布置在大壩右岸壩肩上，為正槽開敞式溢洪道。溢洪道進口設置鋼筋混凝土寬頂堰，堰寬18 m。溢洪道總長235 m，由引渠段、控制段、泄槽段、消能段和護坦段組成。導流泄洪沖砂洞位于水庫樞紐左側的山體內，從上游到下游依次為：引渠段、進口閘室段、洞身段、出口挑流段。洞長155 m，進口閘室孔口尺寸3.5 m×3.5 m，設平面定輪鋼閘門。

（3）溢流面板堆石壩+導流泄洪沖砂洞方案

混凝土溢流面板堆石壩方案工程布置從左至右依次為：左岸擋水壩段、溢流壩段、右岸擋水壩段，大壩左岸巖體內布置施工導流洞，在導流任務完成后用作泄洪沖砂洞。

大壩采用混凝土面板堆石壩，攔河布置，壩頂長57.5 m，壩頂寬6.0 m，最大壩高29.6 m，最大壩底寬116.1 m。在壩頂布置溢洪道，為正槽開敞式溢洪道。溢洪道總長180.07 m，在縱向上采用等寬布置，由進口控制段、泄槽段、消能段和護坦段組成。導流泄洪沖砂洞位于水庫樞紐左側的山體內，從上游到下游依次為：引渠段、進口閘室段、洞身段、出口挑流段。洞長163 m，洞身底縱坡0.02，進口閘室孔口尺寸5 m×5 m，設平面定輪鋼閘門。

（4）面板堆石壩+導流泄洪沖砂洞方案

本方案壩型采用面板堆石壩，泄洪建筑物為左岸巖體內布置的導流泄洪沖砂洞。樞紐建筑物包括擋水大壩和導流泄洪沖砂洞兩部分。

大壩采用混凝土面板堆石壩，攔河布置，壩頂長66.0 m，壩頂寬6.0 m，最大壩高32.5 m。導流泄洪沖砂洞位于水庫樞紐左側的山體內，從上游到下游依次為：引渠段、進口閘室段、洞身段、出口閘室段、出口挑流段。洞長126 m，洞身底縱坡0.02，進口閘室孔口尺寸7.4 m×7.4 m，設平面定輪鋼閘門。出口閘室孔口尺寸6.2 m×6.2 m，設弧形工作閘門。

5 方案比選

（1）工程布置及泄洪條件

從壩址地形上看，壩址處河道狹窄，河谷寬度在27～38 m，兩岸山體巖體陡峭，高差達150 m左右，沒有可供溢流的埡口。如采用面板堆石壩，泄洪主要考慮壩頂溢流、泄洪洞和在右岸開設溢洪道三種方案。

方案二采用右壩肩新開溢洪道+導流泄洪沖沙洞泄洪方式，由于右岸地形陡峭，溢洪道布置十分困難，不僅溢洪道寬度受到很大限制，且右岸邊坡開挖邊坡高度最大為51 m。根據實際地形，溢洪道需要設置轉彎段，最大轉角為64°，水力條件較差。

方案三采用壩頂溢流和導流泄洪沖沙洞相結合的泄洪方式，由于河道狹窄彎曲，轉角達到62°，下游的消能設施布置十分困難，經水力計算需采用3級消能方式，且下游消能工與壩體的銜接處處理難度較大，目前尚無十分成熟的經驗，一旦發(fā)生破壞，洪水直接沖刷壩腳，嚴重威脅壩體安全。

方案四采用導流泄洪沖沙洞泄洪方式，洞徑為7.4 m，與水庫規(guī)模不甚協(xié)調，且閘門型式較為復雜，價格昂貴，運行管理需要較高的技術水平；由于導流泄洪洞是唯一的泄洪通道，一旦運行發(fā)生意外，遭遇洪水時，短時間內便會漫壩。另外由于閘門較大，出口處弧形閘門位置需要高邊坡石方開挖，最大開挖高度達到54 m，存在不安全因素。

方案一堆石混凝土壩可將溢流布置在主河槽壩段，泄流條件較好，技術條件十分成熟，因此從泄洪條件、運行管理和泄洪安全看，堆石混凝土壩具有明顯優(yōu)勢。

（2）施工技術和施工條件

堆石混凝土壩采用自密實混凝土澆筑，靠自身重力填充空隙，施工過程簡單，最大限度地降低了混凝土倉面的施工人員和機械工作量，現場控制管理更加簡便易行；自密實混凝土避免了混凝土振搗密實的過程，消除了人為不利干擾因素，施工進度快，且堆石混凝土采用專用配合比混凝土，施工質量和穩(wěn)定性更容易保證。

面板堆石壩不需要進行大的基坑開挖，筑壩石料可以采用開挖塊石，但由于壩體材料分層復雜，對壩體材料施工要求較高。根據地質資料和實地勘察，河谷和覆蓋層內有大量兩岸坍塌下來的塊石、巨石，塊徑達3～7 m，防滲墻施工條件十分困難，施工難度極大，施工質量難以保證。另外面板堆石壩適用于較為開闊的施工場地，本工程河谷過窄，不適宜大型碾壓機械施工，而堆石混凝土壩相對適應性較好。

（3）施工導流

由本工程施工進度計劃可知，工期為2年。根據《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》（SL303-2004），施工導流為5年一遇全年導流標準，本工程采用在庫區(qū)左岸布設導流洞的導流方式。堆石混凝土壩方案基坑以下壩體砌筑方量24 545 m3，在一個非汛期間壩體可以砌筑至基坑以上，即使遭遇超標準洪水，堆石混凝土壩體可以過流；面板堆石壩壩體為松散質材料，不可以過流，若遭遇超標準洪水，壩體將被沖毀，造成巨大損失。

（4）主要工程量及投資比較

從工程量上比較：土石方開挖量上方案一比方案二和方案三少，但比方案四多；砌石量上方案一比其它三個方案大，但其它三方案都有過渡料堆石料，而且量很大；混凝土與鋼筋混凝土量方案一和方案四量差不多，其它兩方案量很大。從工程總投資上比較：方案一為6 204.59萬元；方案二為6 803.04萬元；方案三為5 909.67萬元；方案四為5 576.01萬元。

6 結論

通過以上分析比較，方案一堆石混凝土壩可將溢流布置在主河槽壩段，泄流條件較好，技術條件十分成熟，因此從泄洪條件、運行管理和泄洪安全看，堆石混凝土壩具有明顯優(yōu)勢。方案二受地形地質條件的影響，右岸溢洪道施工難度大，岸坡石方開挖工程量大，導致投資增加甚多，且溢洪道水力條件較差；方案三投資沒有明顯優(yōu)勢，壩頂溢洪道下游消能設施受地形限制，軸線轉角達45°，經水力計算需采用三級消能方式，型式復雜，水力條件很差，且位于砂礫石地基上，一旦消能工發(fā)生破壞，勢必沖刷壩腳，威脅大壩安全；方案四投資較為經濟，但閘門過大，與水庫規(guī)模不甚協(xié)調，且對管理技術要求較高，一旦閘門出現運行問題，遭遇洪水時，短時間內就會漫壩。

另外，面板堆石壩雖不需要進行大的基坑開挖，筑壩石料可以采用開挖塊石，但壩體材料分層復雜，施工要求較高；面板堆石壩適用于較為開闊的施工場地，本工程河谷過窄，不適宜大型碾壓機械施工；由于河谷和覆蓋層內有大量兩岸坍塌下來的塊石、巨石，塊徑達3～7 m，防滲墻施工條件十分困難，施工難度極大，施工質量難以保證。而堆石混凝土壩施工簡單，質量容易控制和保證，一個非汛期內可以砌筑出基坑面，因此本著技術經濟，施工安全的原則，堆石混凝土重力壩方案具有明顯的優(yōu)越性，本次設計推薦采用堆石混凝土重力壩樞紐方案。