龍宮河水庫(kù)工程選址與建筑物選型分析

韋 凱

（安順海錦工程設(shè)計(jì)有限公司，貴州 安順 561000）

1 工程概述

龍宮河水庫(kù)多年平均徑流量1612萬(wàn)m3，推薦壩址控制集雨面積26.86km2。水庫(kù)校核洪水位1195.21m，總庫(kù)容628萬(wàn)m3，水庫(kù)正常蓄水位1192.00m，相應(yīng)庫(kù)容482萬(wàn)m3，死水位1176.00m，相應(yīng)庫(kù)容82.40萬(wàn)m3，興利庫(kù)容399.58萬(wàn)m3。龍宮河水庫(kù)工程任務(wù)包含灌溉、農(nóng)村人畜飲水及村鎮(zhèn)供水。

按SL252—2017《水利水電工程等級(jí)劃分和洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，水庫(kù)總庫(kù)容0.01億～0.1億m3處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，工程等別屬于Ⅳ等，工程規(guī)模屬?。á瘢┬?。

2 工程選址

2.1 地形

火麥河河段作為擬選的上壩址，其對(duì)岸基本對(duì)稱(chēng)、沖溝較少、河道較順直，河床較平緩、負(fù)地形不顯著，露巖層巖性為中硬巖的優(yōu)質(zhì)工程地質(zhì)條件成為上壩址的最佳選擇；反觀拿門(mén)寨河流轉(zhuǎn)彎以下河段，河流左岸出露巖層巖石性質(zhì)復(fù)雜，包括泥質(zhì)灰?guī)r白云巖及少量礫狀灰?guī)r，負(fù)地形得以發(fā)育，基巖主要以中等～強(qiáng)巖溶層、中等～強(qiáng)透水層為主，使得建壩水庫(kù)滲漏問(wèn)題更為顯著，防滲難度持續(xù)擴(kuò)大。只有拿門(mén)寨附近原拿門(mén)寨小山塘壩址處為較好的壩址河段，本工程擬選為下壩址。

2.2 地質(zhì)

就上壩址而言，壩址往上時(shí)集雨面積偏??；中間河段的地質(zhì)條件選擇類(lèi)似于上壩址，但其河床及地形條件相較上壩址不夠優(yōu)越，作為順向坡的河床左岸并不利于建壩；最后談及距離上壩址0.9～1.5km范圍內(nèi)下壩址，已知往上河床拓寬，河床及兩岸覆蓋沉積，不適于建壩，此時(shí)再往下選，同理河床將持續(xù)擴(kuò)寬，河道右岸為順向坡，不具備建壩條件，故只有火麥河上壩址具有顯著優(yōu)越性。

綜上分析，可確定最優(yōu)壩址為火麥河上壩址。

3 工程建筑物選型分析

3.1 壩型選擇

從地形條件看，壩址河谷兩岸地形較對(duì)稱(chēng)，適宜修建重力壩和面板堆石壩，而修建面板堆石板左、右岸坡地形較陡，需要大面積開(kāi)挖邊坡（高達(dá)15～25m）方可修建溢洪道的條件，而且在大壩左岸布置放水隧洞及右岸布置沖沙隧洞，需要修建進(jìn)閘門(mén)房路及人行步梯，土石方開(kāi)挖量大（1220.0～1187.0m），邊坡處理工程量大，致使后期的水土保持及環(huán)境影響投資增大。

根據(jù)上壩址的工程地質(zhì)條件，上壩址較為適宜的壩型有面板堆石壩、重力壩，重力壩的材料可考慮漿砌石、混凝土或碾壓混凝土。受地形條件的制約，不適宜建拱壩，受天然建筑材料的制約，不適宜建土壩。

下壩址較為適宜的壩型有面板堆石壩、重力壩，重力壩的材料可考慮漿砌石、混凝土或碾壓混凝土。受地形地質(zhì)條件的制約，不適宜建拱壩，受天然建筑材料的制約，不適宜建土壩。

經(jīng)綜合比選，推薦上壩址漿砌石重力壩為下階段重點(diǎn)研究壩型。綜合實(shí)際情況與需求，在本階段，主要采取重力壩方案。

3.1.1 壩頂高程計(jì)算

大壩為4級(jí)建筑物，按30年一遇（P=3.33%）洪水設(shè)計(jì)和300年一遇（P=0.333%）洪水校核的控制工況來(lái)確定壩頂高程。水庫(kù)正常蓄水位1192.00m，根據(jù)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)洪水位1194.27m（P=3.33%），校核洪水位1195.21m（P=0.333%）。

按照SL25—2006《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定設(shè)計(jì)，防浪墻頂或壩頂高程，根據(jù)各種運(yùn)行情況的水庫(kù)靜水位加上相應(yīng)超高后的最大值確定。防浪墻頂超高Δh按式（1）計(jì)算：

式中 Δh為壩頂超高（m）；hc為安全加高（m），大壩為4級(jí)建筑物，按SL252—2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，正常運(yùn)用情況0.3m，非常運(yùn)用情況0.2m；hz為最大風(fēng)雍水面高度（m）；hb為最大波浪在壩坡上爬高（m）。

壩頂高程按規(guī)范取大于校核洪水位高程，防浪墻頂高程要求分2種情況計(jì)算：①設(shè)計(jì)洪水位+正常運(yùn)用情況的墻頂超高；②校核洪水位+非常運(yùn)用情況的墻頂超高。

防浪墻頂高程根據(jù)規(guī)范取為壩頂高程+1.2m，壩頂高程計(jì)算成果如表1。

表1 上壩址重力壩壩頂高程計(jì)算成果

從表1結(jié)果可以看出，計(jì)算壩頂高程1194.50m，根據(jù)規(guī)范壩頂高程大于校核洪水位1195.21m，根據(jù)泄水壩段交通橋縱梁高度控制，因此壩頂高程以協(xié)調(diào)泄水壩交通橋高最終取1196.10m，防浪墻頂取1197.30m。

3.1.2 壩體斷面設(shè)計(jì)

擋水壩段剖面上游面1175.0m以上鉛直，1175.0以下坡比1∶0.2，下游面壩坡1∶0.8，起坡頂點(diǎn)高程1189.85m，上、下游坡面直線交點(diǎn)位于壩頂。溢流壩段剖面參照擋水壩段剖面擬定。

非溢流壩及溢流壩主要建筑材料均為常態(tài)C15混凝土砌石，壩基礎(chǔ)面設(shè)置2.5m厚C20墊層混凝土，上游面混凝土防滲面板厚度1175以下為1.2m，1175.0～1185.90厚度1.0m，1185.9以上厚度0.8m，溢流壩段溢流面面層設(shè)1.0m厚的C25抗沖磨鋼筋混凝土，溢流面導(dǎo)墻為C25抗沖磨鋼筋混凝土。

3.1.3 大壩穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算

龍宮河水庫(kù)上壩址主要結(jié)構(gòu)面為巖石層面。不存在影響壩基或壩肩穩(wěn)定的楔體或棱體，壩基無(wú)構(gòu)成雙面滑動(dòng)的裂隙組合。重力壩的滑動(dòng)模式仍以表面滑動(dòng)為主。

沿建基面滑動(dòng)按照抗剪斷公式進(jìn)行計(jì)算：

式中 K′為按照抗剪斷公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為壩體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷系數(shù)；C′為壩體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力（kPa）；A為壩基接觸面截面積（m2）；∑M為作用在壩體上的全部荷載（包括揚(yáng)壓力）對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值；∑P為作用在壩體上的全部荷載（包括揚(yáng)壓力）對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值。

根據(jù)SL25—2006《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》及SL319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用安全系數(shù)法對(duì)大壩應(yīng)力及穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核。壩體應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)法計(jì)算，根據(jù)SL319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，計(jì)算公式：

式中 J為計(jì)算截面對(duì)形心軸的慣性矩（m4）；∑W為作用于計(jì)算截面上法向力總和（kN）；∑M為全部荷載作用于計(jì)算截面形心軸的的力矩之和（kN·m）；A為計(jì)算截面面積（m2）；x為截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離（m）。

將大壩相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式運(yùn)算，擋水壩段與溢流壩段的抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2，將所得數(shù)據(jù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，均滿(mǎn)足規(guī)范要求，因此擬定的大壩基本剖面是可行的。

表2 大壩壩基面應(yīng)力與抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3.2 工程量與投資分析

通過(guò)計(jì)算分析，混凝土面板堆石壩樞紐建筑物和砌石重力壩樞紐建筑的投資分別為4516.36萬(wàn)元和4906.94萬(wàn)元。從大壩壩體工程投資來(lái)說(shuō)，面板壩的投入較小，但加上施工考慮，面板壩在操作難度上更大，所需工時(shí)與勞動(dòng)力更多，可能面臨更高的投入風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)算與可能投資預(yù)估，砌石重力壩靜態(tài)總投資比混凝土面板堆石壩省3209.65萬(wàn)元。因此本階段推薦混凝土砌石重力壩為代表的當(dāng)?shù)夭牧蠅涡汀｝垖m河水庫(kù)壩型樞紐布置方案主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較如表3。

表3 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較

續(xù)表3

3.3 泄洪建筑物布置選擇及控制型式選擇

龍宮河水庫(kù)壩址左岸坡坡角約30°～35°，右岸坡坡角約為40°～45°，壩頂高程處河谷寬高比3.3。由于本工程為小（1）型水庫(kù)，水庫(kù)對(duì)上游水位稍有增高所加大的淹沒(méi)損失和加高壩身及其他建筑物的工程費(fèi)用都不是很大，從施工簡(jiǎn)單等各方面考慮，本工程不設(shè)置閘門(mén)；根據(jù)地形地質(zhì)條件，溢流堰頂可設(shè)置閘門(mén)，也可不設(shè)置閘門(mén)。由于該工程下游為保證自由泄流，按洪水重現(xiàn)期確定的洪水流量有一定的不確定性，采用溢流表孔較為安全，綜上所述，采用無(wú)閘門(mén)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程對(duì)龍宮河水庫(kù)選址、建筑物選型進(jìn)行了分析，并確定了合理施工方案，避免出現(xiàn)不必要的誤差，但影響工程建設(shè)外在因素復(fù)雜多變，在水庫(kù)工程建設(shè)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)量分析，提高準(zhǔn)確性。