西音水庫(kù)壩型及樞紐布置選擇

馬寧

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

西音水庫(kù)壩型及樞紐布置選擇

馬寧

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

文中從地形地質(zhì)條件、筑壩材料與挖填平衡、施工技術(shù)、投資等角度，綜合分析對(duì)比鋼筋混凝土面板堆石壩、粘土心墻堆石壩、碾壓混凝土重力壩三種壩型的優(yōu)劣勢(shì)，選定面板堆石壩為推薦壩型；基于總體布置、施工條件、工程投資等方面因素，對(duì)左、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)的樞紐布置方案進(jìn)行對(duì)比，最終選定面板堆石壩及左岸溢洪道加右岸山體引水隧洞的樞紐布置方案。

西音水庫(kù)；壩型比選；樞紐布置選擇

1 工程概況

2 壩型比選

根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，壩址區(qū)不具備修筑拱壩的地形條件，從建筑材料的初步勘探成果來(lái)看，壩址附近存在足夠的石料、防滲土料、砂卵礫石等當(dāng)?shù)刂尾牧?，具備修建土石壩的條件。壩址覆蓋層偏厚，重力壩壩基開挖工作量較大，基礎(chǔ)經(jīng)固結(jié)灌漿、帷幕防滲處理后能夠滿足重力壩建基面要求。土石壩對(duì)壩基覆蓋層能有比較好的適應(yīng)性，對(duì)鋼筋混凝土面板堆石壩和粘土心墻堆石壩進(jìn)行比較；鑒于土石壩作為攔河大壩需要在壩肩或岸邊設(shè)置泄洪設(shè)施，而重力壩作為攔河壩可以采用壩身泄洪，因此對(duì)重力壩方案也進(jìn)行了比較。

對(duì)三種壩型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和分析，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

1）地形地質(zhì)條件。壩址區(qū)河谷地貌為近對(duì)稱的“U”型河谷，地形適于土石壩和重力壩的建設(shè)。壩址區(qū)左岸壩肩為突出的山體，且山體較厚，地形坡度10～20°，可以布置河岸溢洪道。壩址覆蓋層較厚，左壩肩為2.3～7.9 m，河床段為6.0～13.0 m，右壩肩為7.0～21.5 m；基巖主要巖性為熔結(jié)凝灰?guī)r、細(xì)粒花崗巖，凝灰?guī)r全風(fēng)化帶厚1.5～7.8 m、強(qiáng)風(fēng)化帶厚4.2～15.0 m，花崗巖全風(fēng)化帶厚1.5 m左右、強(qiáng)風(fēng)化帶厚8.5～9.0 m。重力壩建基面要求建在微風(fēng)化至弱風(fēng)化中部基巖上，兩岸壩段可適當(dāng)放寬，壩基及邊坡的開挖、處理的工程量很大；面板堆石壩壩趾板及粘土心墻堆石壩的心墻建基面可以布置在強(qiáng)風(fēng)化下部，壩體則可置于風(fēng)化基巖或密實(shí)的砂卵礫石覆蓋層上，開挖及基礎(chǔ)處理工程量相對(duì)少得多。

2）筑壩材料。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果可知，天然建筑材料中的堆石料勘察儲(chǔ)量及質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，混凝土粗骨料可根據(jù)用量情況自行加工或外購(gòu)獲??；工程用砂可取自莊邊莊鎮(zhèn)砂料出售點(diǎn)。因此，堆石料和混凝土骨料可滿足三種壩型的設(shè)計(jì)要求。

防滲土料的勘察儲(chǔ)量滿足粘土心墻壩的設(shè)計(jì)儲(chǔ)量要求，但天然含水率普遍大于最優(yōu)含水率，施工時(shí)需要進(jìn)行土料翻曬措施，影響上壩進(jìn)度并增加工程投資，同時(shí)施工過(guò)程控制不易，對(duì)粘土心墻堆石壩方案影響較大。

2）施工條件。從施工條件上看，三種壩型的施工均已有成熟的施工經(jīng)驗(yàn)：

相比較而言，面板堆石壩的施工受氣候條件影響較小，不受雨季影響，防滲面板與堆石分期施工，相互干擾不大；粘土心墻防滲體施工受雨天影響較大，另外施工時(shí)要求心墻與反濾料和壩殼料同步交錯(cuò)上升，施工干擾較大，加之防滲料需要翻曬，則對(duì)質(zhì)量和進(jìn)度控制帶來(lái)一定的難度；碾壓混凝土重力壩具有施工速度快、水泥用量相對(duì)較少、水泥水化熱低等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是大壩施工在雨季有一定影響，且需進(jìn)行必要的溫度控制及壩體防裂措施。因此，從施工條件分析，混凝土面板堆石壩占優(yōu)，重力壩一般，心墻壩施工條件較差。

3）施工導(dǎo)流。工程施工導(dǎo)流有分期導(dǎo)流和一次攔斷河床采用導(dǎo)流洞進(jìn)行導(dǎo)流兩種方案可供選擇。該工程對(duì)于面板堆石壩及粘土心墻堆石壩兩種壩型而言，采用一次攔斷河床采用導(dǎo)流洞進(jìn)行導(dǎo)流，導(dǎo)流設(shè)施根據(jù)比選，采用在山體開挖導(dǎo)流隧洞并結(jié)合引水發(fā)電隧洞布置。

對(duì)于重力壩方案考慮，采用一次攔斷河道的方案，導(dǎo)流考慮采用河床部位預(yù)埋鋼管或岸邊山體引水隧洞的方案。根據(jù)樞紐總布置，河床預(yù)埋鋼管方案接觸部位防滲措施復(fù)雜，運(yùn)行期檢修不變，導(dǎo)流鋼管在后期改引水鋼管存在一定難度，在投資方面由于既要考慮后期導(dǎo)流封堵，又要涉及引水管道的改造，合計(jì)投資額較隧洞方案優(yōu)勢(shì)不明顯，因此綜合考慮采用右岸山體引水隧洞兼導(dǎo)流隧洞的方案。

根據(jù)以上分析結(jié)果，三種壩型最終均選用右岸山體引水隧洞兼導(dǎo)流隧洞的方案。區(qū)別在于重力壩方案可以將溢洪道放在壩身上采用溢流壩的型式，土石壩方案將溢洪道放置于左岸。

4）樞紐布置條件。鋼筋混凝土面板堆石壩和粘土心墻堆石壩方案，均采用左岸布置開敞式溢洪道的泄洪方式，泄槽末端采用底流消能方式?？梢岳靡绾榈篱_挖料上壩填筑，節(jié)省部分工程投資；重力壩方案采用壩身3個(gè)表孔泄洪方式，底流消能，樞紐建筑物布置緊湊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

5）工程投資。從經(jīng)濟(jì)上分析，粘土心墻堆石壩方案為13 528.11萬(wàn)元，面板堆石壩方案工程可比造價(jià)為13 791.48萬(wàn)元，碾壓混凝土重力壩方案為16 224.49萬(wàn)元。與心墻壩相比，面板堆石壩方案高出263.37萬(wàn)元，重力壩方案高出2 433.01萬(wàn)元。重力壩方案投資最大，面板堆石壩方案投資居中。

表1 壩型選擇工程投資比較表

綜合上述比較，重力壩方案投資明顯高于兩種堆石壩方案，考慮到當(dāng)?shù)亟ㄖ牧县S富，壩址地形地質(zhì)條件及樞紐布置情況，該工程宜優(yōu)先采用當(dāng)?shù)夭牧蠅?。雖然混凝土面板壩方案，比粘土心墻堆石壩方案多263.37萬(wàn)元，考慮到粘土料含水率高，粘土心墻堆石壩方案施工對(duì)心墻質(zhì)量和進(jìn)度控制有一定困難，選定面板堆石壩方案作為推薦方案。

3 樞紐布置選擇

根據(jù)選定的壩址及選定的鋼筋混凝土面板堆石壩型，結(jié)合壩址處實(shí)際地形、地質(zhì)條件，工程總體布置應(yīng)在保證運(yùn)行方便和安全可靠的前提下，力求做到節(jié)省工程量、便于施工、縮短工期，同時(shí)，樞紐的外觀與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，在可能條件下注意美觀。該工程受地形、地質(zhì)條件及引水路線的限制，發(fā)電廠房?jī)H可布置在大壩下游的兩側(cè)河灘地位置；為避免建筑物運(yùn)行期間相互干擾，溢洪道與發(fā)電廠房分開布置。綜合以上條件，初擬左岸溢洪道+右岸引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸溢洪道+左岸引水發(fā)電系統(tǒng)兩個(gè)樞紐布置方案。

1）方案一：左岸溢洪道+右岸引水發(fā)電系統(tǒng)方案。

攔河壩采用鋼筋混凝土面板堆石壩，壩軸線橫跨河道兩側(cè)山頭，基本為兩側(cè)山峰連線。溢洪道布置于左岸山體與大壩之間，引水系統(tǒng)布置在右岸，采用塔式進(jìn)水口，輸水管道可采用壩下基巖內(nèi)埋管或右岸山體內(nèi)引水隧洞的方案至大壩下游河道右側(cè)河灘地的發(fā)電廠房?jī)?nèi)。

溢洪道布置在大壩左壩肩，軸線在控制段與壩軸線垂直，順?biāo)鞣较虬ㄉ嫌芜M(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消力池段。

引水系統(tǒng)由塔式進(jìn)水口、引水隧洞、鋼襯段、明管段、岔管段、支管段組成。隧洞直徑為2.5 m，引水管道總長(zhǎng)約405 m（包含支管段）。

右廠址位于大壩下游約180m的河道及其兩岸，緊鄰右岸村莊場(chǎng)地，廠房采用地面式布置，基礎(chǔ)位于微風(fēng)化基巖面，尾水渠采用明渠形式，與主河床相接。廠區(qū)建筑物包括主廠房、副廠房、開關(guān)站、尾水渠等。主廠房長(zhǎng)29.60 m，寬12.40 m。副廠房布置在主廠房上游側(cè)，開關(guān)站布置在室外。

2）方案二：右岸溢洪道+左岸引水發(fā)電系統(tǒng)方案。

攔河壩布置同方案一，溢洪道布置于右岸，但限于地質(zhì)條件及溢洪道出水條件所限溢洪道布置在近右岸山體，溢洪道左側(cè)緊靠攔河壩，右側(cè)設(shè)置均質(zhì)土壩與右岸山體連接，引水系統(tǒng)布置于左岸，采用塔式進(jìn)水口，輸水管道采用左岸山體內(nèi)引水隧洞的方案至大壩下游河道左側(cè)河灘地的發(fā)電廠房?jī)?nèi)。

溢洪道布置在河床右岸，由于右岸覆蓋層較厚，溢洪道左邊墻與面板堆石壩連接，右邊墻與均質(zhì)土壩連接。溢洪道順?biāo)鞣较虬ㄉ嫌芜M(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠，其中進(jìn)水渠、控制段軸線與壩軸線垂直，泄槽及消力池段軸線向左偏轉(zhuǎn)至河道中間位置。

左岸引水隧洞采用隧洞+鋼管引水方案，設(shè)計(jì)線路位于左壩肩，采用直線布置，長(zhǎng)約300.0 m。進(jìn)口段位于山丘西側(cè)坡腳，出洞口段位于山丘東側(cè)。當(dāng)設(shè)計(jì)流量6.4 m3/s，設(shè)計(jì)水位29 m時(shí)，計(jì)算的經(jīng)濟(jì)直徑為1.73 m，結(jié)合施工導(dǎo)流要求確定洞徑為2.5 m，管道總長(zhǎng)約300 m（包含支管段）。電站進(jìn)水口初擬為塔式，進(jìn)水口采用2級(jí)進(jìn)水，高程152.5 m進(jìn)水口為施工導(dǎo)流期進(jìn)水口，高程157.0 m為運(yùn)行期引水發(fā)電及供水進(jìn)水口，下層施工完成后封堵。由于左岸現(xiàn)狀灘地地面高程較高，為高程165～175 m左右，而施工導(dǎo)流進(jìn)水口的底高程需在152.5 m左右，出口底高程152.15 m，在進(jìn)水口前、出水口下游開挖引水渠至現(xiàn)有河道。

左廠址位于大壩下游約200 m的左岸西音村場(chǎng)地上，有公路從山腳下通過(guò)，地面高程160.00～163.00 m，場(chǎng)地基本平整，場(chǎng)地較寬闊，可滿足布置地面廠房的要求。廠區(qū)建筑物包括主廠房、副廠房、開關(guān)站、尾水渠等。主廠房長(zhǎng)29.60 m，寬12.40 m。副廠房布置在主廠房上游側(cè)，開關(guān)站布置在室外。

3）方案比選。工程樞紐總體布置方案主要取決于溢洪道及引水發(fā)電系統(tǒng)布置方式的選擇，為確定工程樞紐總體布置方案，從以下幾方面對(duì)上述方案進(jìn)行比較分析。

①地質(zhì)條件。地質(zhì)勘探結(jié)果表明，該工程右岸覆蓋層較左岸深厚，左岸溢洪道控制段建基面高程為174.5～177.00 m，右岸溢洪道控制段建基面高程為162.50 m，溢洪道長(zhǎng)度基本相當(dāng)，堰頂高程相同，由于右岸覆蓋層深厚，右岸修建溢洪道的難度較左岸大；同時(shí)為連接右岸溢洪道與右岸山體，需增設(shè)一段均質(zhì)土壩段，在施工工藝上右岸溢洪道方案明顯較左岸溢洪道方案復(fù)雜，工序繁多。

②溢洪道與面板堆石壩的連接條件。由于右岸覆蓋層深厚，且可作為面板堆石壩趾板及溢洪道邊墻底板基礎(chǔ)的基巖埋深較大，為形成封閉的防滲體系，溢洪道上游側(cè)進(jìn)水渠左邊墻高度約30 m，工程量極大，擋墻澆筑難度大，復(fù)雜程度高。左岸溢洪道與面板堆石壩連接方式與右岸溢洪道類似，但由于左岸覆蓋層厚度相對(duì)較小，連接的復(fù)雜性及工程量均相對(duì)較小。

③引水發(fā)電系統(tǒng)布置條件。根據(jù)引水線路選擇結(jié)論，該工程采用引水建筑物與導(dǎo)流建筑物結(jié)合方式，施工期用作導(dǎo)流，施工期末封堵導(dǎo)流孔，改建為永久供水建筑物。同時(shí)根結(jié)合引水方式選擇，采用右岸壩基下埋管雖投資略省，但壩與埋管結(jié)合部位防滲措施較復(fù)雜，存在一定的安全隱患且不便于檢修。而左岸布置引水系統(tǒng)的方案，由于左岸現(xiàn)狀灘地地面高程較高，為高程165～175 m左右，施工導(dǎo)流進(jìn)水口的底高程需在152.5 m左右，出口底高程152.15 m，需在進(jìn)水口前、出水口下游開挖較深的引、出水渠連接現(xiàn)有河道，且進(jìn)水口本身位于深厚覆蓋層上，開挖支護(hù)量較大，經(jīng)濟(jì)性較差。推薦采用右岸山體引水隧洞方案。

④施工條件。溢洪道若布置在右岸，由于右岸覆蓋層較深，基巖埋深大，溢洪道的開挖高程較低，整體工程量偏大，且溢洪道布置在右岸，溢洪道臨山體側(cè)開挖后形成的高邊坡范圍大，相應(yīng)邊坡防護(hù)等工程措施較多。施工工序復(fù)雜程度加大，溢洪道及兩側(cè)邊坡開挖工程量大，棄土多，工程大壩基礎(chǔ)開挖工程量本已較大，棄土較多，對(duì)于工程相對(duì)較小的施工場(chǎng)地，增加溢洪道設(shè)置在右岸帶來(lái)的巨大邊坡開挖土方量，勢(shì)必將施工條件變得愈為惡劣，施工難度加大。

⑤投資比較。分析左、右岸溢洪道主要工程量及投資情況，可得出：

左岸溢洪道方案可比投資較右岸溢洪道方案節(jié)省820.79萬(wàn)元，左岸溢洪道方案經(jīng)濟(jì)型較優(yōu)。樞紐總體布置方案在經(jīng)濟(jì)性上采用左岸溢洪道加右岸山體引水隧洞的方案最佳。

⑥溢洪道位置及樞紐總體布置方案的選擇。過(guò)以上兩個(gè)不同溢洪道位置方案在地質(zhì)條件、與面板壩的連接條件以及經(jīng)濟(jì)性方面，并綜合考慮溢洪道出水條件，選定采用左岸溢洪道布置方案。

通過(guò)兩個(gè)樞紐布置方案在單體建筑物方面的比較以及整體樞紐的協(xié)調(diào)性、與地質(zhì)條件適應(yīng)性，以及經(jīng)濟(jì)型方面的比較，選定采用與溢洪道位置比選相一致的左岸溢洪道加右岸山體引水隧洞的樞紐總體布置方案。

4 結(jié)論

對(duì)擬定的三種壩型進(jìn)行了深入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與比較，選定鋼筋混凝土面板堆石壩為推薦方案；基于節(jié)省工程投資等方面因素，對(duì)左右岸溢洪道及引水發(fā)電系統(tǒng)的樞紐布置方案進(jìn)行了分析與比較，選定左岸溢洪道加右岸山體引水隧洞的樞紐總體布置方案。

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