斧子口水庫(kù)壩型比選研究

劉俊宏

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

斧子口水庫(kù)壩型比選研究

劉俊宏

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

通過(guò)對(duì)斧子口水利樞紐壩址地形、地質(zhì)條件、工程投資、環(huán)境影響、施工工期等方面進(jìn)行綜合比較，以及碾壓混凝土重力壩、混凝土面板堆石壩、碾壓混凝土拱壩三種壩型方案進(jìn)行對(duì)比分析后，推薦斧子口水利樞紐為碾壓混凝土重力壩壩型。

斧子口水利樞紐；壩型選擇；碾壓混凝土重力壩；混凝土面板堆石壩；碾壓混凝土拱壩

1 工程概況

斧子口水庫(kù)是桂林市控制性水利樞紐之一，是一座以防洪、補(bǔ)水為主,兼顧發(fā)電的水利工程。斧子口水庫(kù)總庫(kù)容為1.88億m3，正常蓄水位為267 m，，工程等別為Ⅱ等，屬大（2）型水庫(kù)。本工程由攔河大壩、泄水建筑物以及發(fā)電引水系統(tǒng)組成。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，攔河壩、泄水建筑物為2級(jí)建筑物，次要建筑物為3級(jí)建筑物，電站廠房為4級(jí)建筑物。

2 設(shè)計(jì)資料[1]

2.1 水文氣象

斧子口水庫(kù)位于廣西興安縣溶江鎮(zhèn)斧子口峽谷處，壩址以上集水面積314km2；壩址以上主河道長(zhǎng)43km。漓江流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛。壩址全年最多風(fēng)向是東北風(fēng)，多年平均風(fēng)速為3m/s，多年平均年最大風(fēng)速為21m3/s。

2.2 地質(zhì)條件

斧子口壩址區(qū)地貌形態(tài)以侵蝕、剝蝕地貌為主，屬低山區(qū)，河流自北西流向南東，河谷為寬底“V”型斜向谷，河床高程203.69～206.64m，左淺右深，平水期河面寬40～60m，水深1.0～4.0m，河流坡降3‰；兩岸無(wú)階地，地形基本對(duì)稱，山體雄厚，地形陡峻，自然坡度32～50°，植被茂盛，。上、下壩線間左、右岸各發(fā)育沖溝一條，沖溝一般呈“V”字型，溝坡陡峻，沖溝深切，水量較豐富，四季流水。

壩址區(qū)位于桂林－南寧斷裂帶的北西側(cè)，巖層產(chǎn)狀為N35～55°E，SE∠20～50°，走向與河流呈64～89°交角，主要構(gòu)造線以北東向?yàn)橹?，此外壩址上、下游局部巖層傾角為18～28°，距離最近的壩線大于150m。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。

3 壩型的選擇[1]

大壩所在河谷呈陡峻的“V”型斜向谷，兩岸山頭均在海拔400m以上，兩岸地形基本對(duì)稱，沒(méi)有天然埡口，左壩肩地形坡度45°，山體雄厚，右壩肩壩軸線通過(guò)一單薄山梁。壩基巖體屬于中硬～堅(jiān)硬巖體，總體工程地質(zhì)條件好，壩址具備建壩的地形地質(zhì)條件，在壩型選擇方面靈活性較大。根據(jù)地形、地質(zhì)條件，上壩址適合修建重力壩、拱壩和土石壩，根據(jù)當(dāng)?shù)亟ú那闆r，確定三個(gè)比選方案分別為：重力壩以碾壓混凝土重力壩為代表壩型、拱壩以碾壓混凝土拱壩為代表壩型、土石壩以混凝土面板堆石壩為代表壩型進(jìn)行比較。

3.1 碾壓混凝土重力壩方案

碾壓混凝土重力壩方案主體建筑物由攔河大壩以及電站廠房?jī)刹糠纸M成。

左岸非溢流壩段長(zhǎng)123m、右岸非溢流壩段長(zhǎng)77m。上游壩面215m高程以下壩坡為1:0.2，215m高程以上為直立面；下游壩面264m高程以下壩坡為1:0.75，264m高程以上為直立面。

中間溢流壩段總長(zhǎng)39m，壩身設(shè)置3個(gè)表孔，表孔設(shè)有胸墻。表孔溢流堰采用實(shí)用堰，單孔孔口尺寸為9m×13m（寬×高），堰頂高程250.5m。每個(gè)表孔設(shè)置一道弧形工作閘門(mén)和一道檢修閘門(mén)。大壩泄水消能采用底流消能，消力池底板頂高程197.5m，池深10.5m，底板厚4～5.5m，尾坎頂高程208m，消力池長(zhǎng)80m，寬35m。

電站為壩后式地面廠房，廠房在河床左側(cè)，內(nèi)設(shè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組，兩機(jī)共用一根管道供水。壩式進(jìn)水口、壩內(nèi)埋管、壩后背管組成發(fā)電引水系統(tǒng)。進(jìn)水口布置在左岸非溢流壩段，進(jìn)口底高程223m，進(jìn)口設(shè)置攔污柵、檢修閘門(mén)和快速閘門(mén)。壩內(nèi)埋管及壩后背管段設(shè)單管，管徑3.5m，進(jìn)廠房前分為兩條支管分別接入機(jī)組，支管管徑均為2.6m。主廠房（含安裝間）長(zhǎng)36.1m，寬16m，凈高11.85m，主廠房?jī)?nèi)2臺(tái)安裝水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量7.5MW，水輪機(jī)安裝高程206.50m。副廠房布置在主廠房上游側(cè)廠壩間平臺(tái)上，長(zhǎng)36.1m，寬15.64m。

碾壓混凝土重力壩方案采用全段圍堰、隧洞導(dǎo)流的導(dǎo)流方式，汛期利用壩體缺口與導(dǎo)流洞聯(lián)合泄洪的度汛方式。導(dǎo)流隧洞布置在左岸，為城門(mén)洞型無(wú)壓隧洞，洞長(zhǎng)425m，隧洞斷面寬6m，高8.73m。

本方案混凝土工程量約42萬(wàn)m3，人工骨料考慮從距離壩址約22km的興安縣嚴(yán)關(guān)鎮(zhèn)茅梨山石料場(chǎng)北側(cè)山包開(kāi)采。本方案土石方開(kāi)挖共形成棄渣約85萬(wàn)m3。

碾壓混凝土重力壩方案樞紐布置詳見(jiàn)圖1。

圖1 碾壓混凝土重力壩方案樞紐布置圖

3.2 混凝土面板堆石壩方案[2]

混凝土面板堆石壩方案壩線距離方案一壩址下游約30m處，該方案由混凝土面板堆石壩、河岸溢洪道、電站三部分組成。

混凝土面板堆石壩壩頂高程274.5m，防浪墻高1m，最大壩高74.5m，壩頂總長(zhǎng)235m，壩頂寬7m。堆石壩上游壩坡1:1.4，下游平均壩坡1:1.9。壩體結(jié)構(gòu)分為墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、濾水壩趾區(qū)等部分。

溢洪道布置在攔河壩右壩肩的山體，長(zhǎng)543.8m。進(jìn)水渠長(zhǎng)205.8m，底寬32m，進(jìn)口高程247m?？刂贫伍L(zhǎng)34m，設(shè)2孔平底閘和1孔開(kāi)敞式溢流堰。開(kāi)敞式溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰頂高程260m，孔口寬度為8m；2孔平底閘底板高程247m，單孔寬11m。泄槽段長(zhǎng)304m，縱坡1:9，底寬32m，溢洪道采用挑流消能。根據(jù)地質(zhì)成果，溢洪道軸線經(jīng)過(guò)F5斷層帶，同時(shí)下游段的鉆孔揭示泄槽段中部沖溝間巖體破碎，風(fēng)化帶埋深較深，邊坡穩(wěn)定性差，且溢洪道開(kāi)挖邊坡較高，最大開(kāi)挖高度達(dá)到150m，故在邊坡支護(hù)上，除采取常規(guī)的錨噴支護(hù)外，局部考慮另增加2000kN的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，保證邊坡的穩(wěn)定安全。

電站布置在大壩左岸下游坡腳處，采用引水式地面廠房，廠房?jī)?nèi)布置兩臺(tái)機(jī)組。進(jìn)水口采用塔式進(jìn)水口，布置在大壩左岸，進(jìn)水口底高程223m。引水隧洞采用圓形，隧洞長(zhǎng)320m，隧洞直徑4.4m。

施工導(dǎo)流采用隧洞導(dǎo)流方式；汛期利用導(dǎo)流洞泄洪與壩體臨時(shí)攔洪斷面擋水相結(jié)合的度汛方式。根據(jù)施工進(jìn)度安排，混凝土面板堆石壩在第一個(gè)枯水期末將堆石壩體全面填筑至235m高程，上游側(cè)壩體填筑至246m高程以形成臨時(shí)擋水?dāng)嗝孢M(jìn)行攔洪度汛，壩面不過(guò)水。導(dǎo)流隧洞設(shè)左岸，采用城門(mén)洞型，洞長(zhǎng)482m，斷面尺寸為6.5m×9.38m。

本方案壩體堆石填筑量約為90萬(wàn)m3。開(kāi)挖土石方棄渣約250萬(wàn)m3。

混凝土面板堆石壩方案樞紐布置詳見(jiàn)圖2。

圖2 混凝土面板堆石壩方案樞紐布置圖

3.3 碾壓混凝土拱壩方案

上壩址河谷為基本對(duì)稱的“V”型谷，壩址基巖裸露，地質(zhì)條件較好，可以布置單曲拱壩或雙曲拱壩。本次采用單曲拱壩方案。樞紐建筑物主要由碾壓混凝土單曲拱壩和引水式發(fā)電廠房?jī)刹糠纸M成。

拱壩為定圓心、定外半徑等截面單曲拱壩，上游面為鉛直面，下游面接近拋物線。壩頂高程272.0m，最大壩高79.4m，左、右基本對(duì)稱，上游面半徑180m。壩頂弧長(zhǎng)320.4m，壩頂寬7m，壩底寬26.2m，厚高比0.33。

拱壩由非溢流壩段和溢流壩段組成，左、右岸非溢流壩段壩頂弧長(zhǎng)均為133m，對(duì)稱布置。根據(jù)地質(zhì)勘探成果，右壩肩山體地形較單薄，存在F5斷層及節(jié)理密集帶，巖體較破碎，對(duì)右壩肩的變形穩(wěn)定有較大影響。為消除右壩肩不利地質(zhì)條件的影響，在右岸壩肩設(shè)長(zhǎng)46m的重力墩，并適當(dāng)加深破碎帶影響區(qū)域的固結(jié)灌漿。

拱壩溢流壩段布置在河床的中部，壩頂弧長(zhǎng)53m。為滿足樞紐泄洪和排漂的要求，溢流壩段設(shè)1個(gè)表孔和2個(gè)淺孔。表孔布置在溢流壩段中部，為開(kāi)敞式泄水孔，孔口寬度為10m，進(jìn)口底高程258.0m，設(shè)一道平板閘門(mén)。淺孔布置在溢流壩段兩側(cè)，孔口尺寸為10×10m（寬×高）。溢流壩采用挑流消能，下游設(shè)50×70m（寬×長(zhǎng)）的水墊塘。

電站廠房布置在水墊塘下游河床左岸，為引水式地面廠房，廠房?jī)?nèi)安裝兩臺(tái)機(jī)組，采用兩機(jī)一洞供水。進(jìn)水口采用塔式進(jìn)水口，進(jìn)口底高程為223m。引水隧洞長(zhǎng)230.6m，洞直徑為4m，為有壓圓形隧洞。主廠房長(zhǎng)36.1m，寬16m，凈高11.85m，副廠房長(zhǎng)36.1m，寬15.64m。主廠房?jī)?nèi)安裝兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為7.5MW的。

施工導(dǎo)流采用隧洞導(dǎo)流方式，在汛期來(lái)臨時(shí)采用預(yù)留壩體缺口與導(dǎo)流洞聯(lián)合泄洪的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流隧洞布置在左岸，為無(wú)壓城門(mén)洞型，隧洞斷面尺寸為6×8.73 m（寬×高），隧洞長(zhǎng)485m。

本方案混凝土工程量約40.8萬(wàn)m3，人工骨料考慮從壩址下游約22km的茅梨山石料場(chǎng)北側(cè)山包開(kāi)采。本方案土石方棄渣約80萬(wàn)m3。

碾壓混凝土拱壩方案樞紐布置詳見(jiàn)圖3。

圖3 碾壓混凝土拱壩方案樞紐布置圖

3.4 壩型比較

上述三種壩型的主要工程量及投資比較見(jiàn)表1。

表1 各壩型方案主要工程量及投資比較表

根據(jù)建筑工程投資比較，面板堆石壩方案投資比碾壓混凝土重力壩方案多4110萬(wàn)元，主要是由于壩址附近地形不利于布置面板堆石壩方案，溢洪道需從岸坡中開(kāi)挖形成，開(kāi)挖邊坡較高，支護(hù)工程量較大，土石方開(kāi)挖工程量較大，且風(fēng)化層較深、巖石較破碎，無(wú)法全部用于大壩堆石區(qū)的填筑，部分堆石料（約20%）需從石料場(chǎng)開(kāi)采，未能充分體現(xiàn)當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚膬?yōu)越性；拱壩方案工程投資比碾壓混凝土重力壩方案多120萬(wàn)元，主要是由于拱壩壩頂長(zhǎng)度較長(zhǎng)，右岸需修建46m長(zhǎng)的重力墩，左岸修建洞徑4.0m的有壓引水隧洞長(zhǎng)230m，這些因素導(dǎo)致拱壩的投資較大。水土保持投資方面，由于面板堆石壩方案產(chǎn)生大量棄渣，部分壩體堆石料需要從石料場(chǎng)開(kāi)采，石料場(chǎng)的水土保持費(fèi)用增加，因此面板堆石壩方案水土保持投資比碾壓混凝土重力壩方案和碾壓混凝土拱壩方案多約290萬(wàn)元。從施工導(dǎo)流工程投資比較，因混凝土面板堆石壩方案導(dǎo)流隧洞洞徑較大，洞線較長(zhǎng)，而拱壩方案雖然洞徑與重力壩方案相同，但拱壩導(dǎo)流隧洞沿線地質(zhì)情況較差，Ⅳ類圍巖長(zhǎng)度較長(zhǎng)，故混凝土面板堆石壩方案和拱壩方案的導(dǎo)流工程投資分別比重力壩方案投資多370萬(wàn)元和290萬(wàn)元。另外，施工道路投資方面面板堆石壩方案比碾壓混凝土重力壩方案和拱壩方案投資多180萬(wàn)元。通過(guò)綜合比較，混凝土面板堆石壩方案總投資比碾壓混凝土重力壩方案多4950萬(wàn)元，碾壓混凝土拱壩方案總投資比碾壓混凝土重力壩方案多410萬(wàn)元。因此，從工程投資條件看，碾壓混凝土重力壩方案略優(yōu)。

根據(jù)地形、地質(zhì)條件分析，壩址巖體為D11中厚～厚層細(xì)砂巖夾礫巖及少量泥質(zhì)粉砂巖，下游端少部分為D12中厚～厚層細(xì)砂巖及泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，該層巖石堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，可以滿足混凝土壩及面板堆石壩壩承載力要求；由于壩址兩岸地形均無(wú)天然埡口，面板堆石壩方案溢洪道開(kāi)挖邊坡過(guò)高，邊坡支護(hù)較為困難以及影響今后運(yùn)行安全。右壩肩存在斷層和節(jié)理密集帶，對(duì)重力壩方案和拱壩方案的右壩肩基礎(chǔ)的變形和穩(wěn)定均有不利影響，對(duì)拱壩拱座穩(wěn)定尤為不利。左壩肩巖體結(jié)構(gòu)面組合對(duì)拱壩方案壩肩穩(wěn)定不利，需要專門(mén)進(jìn)行基礎(chǔ)處理。因此，根據(jù)壩址地形、地質(zhì)條件碾壓混凝土重力壩更優(yōu)。

根據(jù)斧子口水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行要求，需要在泄水建筑物較低高程布置一定數(shù)量的閘孔，才能滿足汛限水位下泄洪水和水庫(kù)排漂、排洪的需要。對(duì)于混凝土重力壩方案來(lái)說(shuō)，布置有關(guān)泄水孔，僅對(duì)工程施工期間碾壓混凝土的施工造成一定的影響，而對(duì)整體結(jié)構(gòu)無(wú)大的不利影響；對(duì)于混凝土面板堆石壩方案，受壩址地形條件限制，較低的泄水孔口就意味著溢洪道的進(jìn)水口布置得更低，開(kāi)挖深度更深，形成的高邊坡更大，對(duì)邊坡穩(wěn)定的支護(hù)要求更高；混凝土拱壩為整體受力的結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)整體性要求較高，而本工程碾壓混凝土拱壩方案的孔口布置范圍已占拱壩壩高的1/3，溢流壩段寬達(dá)53m，大大的削弱了拱壩的整體性及拱的作用，限制了拱壩優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。故就泄水建筑物的布置對(duì)主體工程影響而言，碾壓混凝土重力壩方案更有利。

根據(jù)環(huán)境影響分析，混凝土面板堆石壩方案產(chǎn)生的大量棄渣以及填筑石料開(kāi)采，對(duì)原始地貌、原有植被以及當(dāng)?shù)鼐坝^和生態(tài)環(huán)境影響較大，溢洪道高邊坡對(duì)當(dāng)?shù)氐木坝^也造成了極大的破壞；而重力壩方案開(kāi)挖和棄渣量較少，對(duì)原始地貌、植被相對(duì)影響較小。因此從環(huán)境影響上看，碾壓混凝土重力壩方案和碾壓混凝土拱壩方案都優(yōu)于混凝土面板堆石壩方案。

根據(jù)施工工期分析，重力壩方案與拱壩方案的總工期均為35個(gè)月，面板堆石壩方案總工期為31個(gè)月，但混凝土面板堆石壩方案由于工作面較多，各個(gè)工作面之間施工相互干擾較大，土石開(kāi)挖與堆石料填筑之間相互影響制約，對(duì)施工組織設(shè)計(jì)要求更高，對(duì)工期存在較多的影響因素。

綜上所述，碾壓混凝土重力壩方案較優(yōu)，本工程以碾壓混凝土重力壩為推薦壩型。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)斧子口水利樞紐投資、地形、地質(zhì)條件、水土保持、環(huán)境影響、水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行及工期等因素的比較，推薦壩型采用的碾壓混凝土重力壩壩型方案得到了水利上級(jí)部門(mén)的肯定。斧子口水利樞紐工程可行性研究報(bào)告獲得國(guó)家發(fā)改委批復(fù)；初步設(shè)計(jì)報(bào)告通過(guò)了廣西壯族自治區(qū)水利廳審查并獲得自治區(qū)發(fā)改委的批復(fù)。目前項(xiàng)目已進(jìn)入實(shí)施階段。

[1] 廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.廣西桂林市防洪及漓江補(bǔ)水工程斧子口水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].南寧:廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2010.

[2] 蒙麗麗.桂林市小溶江水利樞紐壩型選擇[J].廣西水利水電, 2009,(6):1-5.

Dam type selection for Fuzikou Hydraulic Complex

After a comparison was made between the rolled compacted concrete(RCC)gravity dam type、concrete slab rockfill dam type and RCC arch dam type,from the respectsof landform and geological conditions of dam site,construction cost,environmental influence and construction period,RCC gravity dam type was selected for the Fuzikou Hydraulic Complex.

Fuzikou Hydraulic Complex;dam type selection;RCC gravity dam;concrete slab rockfill dam; RCC arch dam

TV222.1

A

1008-1151(2015)03-0050-04

2015-02-11

劉俊宏（1983－），男，廣西恭城人，廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)、教育工作。