信豐三只水水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)方案比選

平 凡，劉 佳

(贛州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江西 贛州 341000)

信豐縣地處江西省南部，贛州市中部，居貢水支流桃江的中游，東與安遠(yuǎn)縣交界，南與全南、龍南、定南三縣相連，西與廣東省南雄市毗鄰，北與大余縣、南康區(qū)、贛縣接壤，處于大贛州都市區(qū)1小時(shí)城市經(jīng)濟(jì)圈，廣州、深圳和南昌4小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈，是珠三角、海西經(jīng)濟(jì)區(qū)的直接腹地。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，城鎮(zhèn)人口的快速增加，城區(qū)日益增長(zhǎng)的日常生活用水及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水矛盾越來(lái)越突出。信豐縣城區(qū)現(xiàn)有馬鞍山水廠及信豐縣第二自來(lái)水廠，均已經(jīng)超負(fù)荷運(yùn)行。馬鞍山水廠擴(kuò)建水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)較高，第二自來(lái)水廠水源龍井水庫(kù)擴(kuò)建對(duì)上游影響較大。故迫切需要新建三只水水庫(kù)作為下游龍井水庫(kù)的補(bǔ)充水源，滿足城區(qū)用水需求。

1 概述

三只水水庫(kù)壩址位于信豐縣東部古陂鎮(zhèn)大屋村三只水小組，距信豐縣城約45km，屬桃江二級(jí)支流，大橋河一級(jí)支流石背河下游。擬建的三只水水庫(kù)壩址控制集水面積48.3km2，主河道長(zhǎng)21.6km，河道縱比降14.7‰。

水庫(kù)的工程任務(wù)是枯水期解決下游龍井水庫(kù)供水量不足，作為龍井水庫(kù)補(bǔ)充水源，增加龍井水庫(kù)蓄水量，提高其供水能力。

本流域?qū)賮啛釒|南亞季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和、雨量充沛。根據(jù)信豐縣氣象站多年資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫為19.5℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫-4.1℃，多年平均降水量1623.5mm，多年平均蒸發(fā)量1193.2mm，多年平均相對(duì)濕度77%，多年平均日照時(shí)數(shù)1810h，平均無(wú)霜期為298d，多年平均最大風(fēng)速11.3m/s。

2 大壩地質(zhì)條件

2.1 庫(kù)區(qū)地質(zhì)概況

庫(kù)區(qū)工程區(qū)為低山丘陵區(qū)，地勢(shì)總體趨勢(shì)是北東高、南西低，山脈大體呈北東走向，庫(kù)區(qū)兩側(cè)山體較雄厚，植被發(fā)育，庫(kù)區(qū)地表大部分基巖出露，部分地表為第四系殘坡積覆蓋，但覆蓋層較薄。

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，工程區(qū)無(wú)活動(dòng)性斷裂通過(guò)，本區(qū)域自晚更新世以來(lái)地殼運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈，歷史上未發(fā)生較強(qiáng)地震，區(qū)域構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。據(jù)GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》界定，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

庫(kù)區(qū)地下水類型為第四系松散層孔隙潛水與基巖裂隙水。庫(kù)區(qū)兩岸未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大且導(dǎo)水性強(qiáng)的斷裂構(gòu)造通向庫(kù)外，水庫(kù)無(wú)滲漏問(wèn)題。水庫(kù)蓄水后地質(zhì)環(huán)境改變小，不存在水庫(kù)誘發(fā)地震的可能性。

2.2 壩址地質(zhì)概況

壩址區(qū)屬丘陵剝蝕地貌，海拔高程、地形起伏變化較大，兩岸地形總體較對(duì)稱，山體雄厚，河谷呈“V”型，河谷較窄，河谷寬度約20～25m。河床表面大部分為卵石或漂石覆蓋，局部基巖裸露。

壩區(qū)河床段壩基巖體巖性為石英砂巖，風(fēng)化劇烈。壩基巖性為弱風(fēng)化石英砂巖夾粉砂巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性相對(duì)較好，具弱～中等透水性；左岸巖體弱風(fēng)化層透水性弱～中等；右岸巖體弱風(fēng)化層透水性弱～中等。

3 工程布置

根據(jù)選定壩址的地形地質(zhì)條件、天然建筑材料情況，初擬了混凝土重力壩、混凝土面板堆石壩和混凝土拱壩三種壩型，分別進(jìn)行地質(zhì)條件、施工條件、工程管理、經(jīng)濟(jì)方面的比選。

3.1 混凝土重力壩方案

大壩由擋、泄水等建筑物組成。壩軸線上從左至右分別為左岸非溢流壩段、溢流壩段、右岸非溢流壩段。溢流壩布置在河床中部，大壩壩頂高程261.00m，壩頂全長(zhǎng)163m，其中：溢流壩段長(zhǎng)34m，左、右岸非溢流重力壩段長(zhǎng)分別為59m、70m。

非溢流壩段壩頂高程261.000m，壩頂寬5.5m，最大壩高51.5m；上游面245.00m高程以上為鉛直面，以下為1∶0.25的斜坡面；下游255.00m高程以上為鉛直面，以下為1∶0.75的斜坡面。采用C15埋石混凝土，壩體基礎(chǔ)采用C25混凝土，臨水面設(shè)厚1.5m的C25混凝土面板，壩頂C25混凝土厚1.0m。

溢流壩段布置在主河床中部，建基面高程205.0m，最大壩高56.0m，為3孔表孔溢流堰組成，單孔凈寬10m。溢流堰按WES曲線設(shè)計(jì)，采用挑流消能。上游面245.00m高程以上鉛直面，以下為1∶0.25斜面。壩體基礎(chǔ)采用C25混凝土；壩體上游面為設(shè)C25混凝土防滲面板，厚1.5m；溢流堰面采用C30混凝土，厚1.0m。

取水設(shè)施布置在大壩左岸非溢流壩段上。為了解決水庫(kù)在特殊時(shí)期需放空水庫(kù)及施工期導(dǎo)流的問(wèn)題，在溢流壩段底部設(shè)置放空孔兼導(dǎo)流孔以備使用。

3.2 混凝土面板堆石壩方案

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，采用右岸底部布置引水隧洞、右岸壩肩布置溢洪道的工程布置方案。

混凝土面板堆石壩壩頂長(zhǎng)158m，壩頂寬8.0m，最大壩高55.0m。校核洪水位(p=0.33%)260.740m，在考慮波浪爬高及安全超高后，于上游側(cè)設(shè)置防浪墻，壩頂高程261.000m，防浪墻頂高程262.200m，壩基開挖高程207.300m。上游壩面為一級(jí)坡，壩坡取1∶1.3；下游側(cè)于245.000m、229.000m高程處各設(shè)置2.0m寬的馬道，217.000m高程處設(shè)置寬5.0m的馬道，高程217.000m以上壩坡為1∶1.3，以下為1∶1.5。大壩自上游向下游分別為鋼筋混凝土面板、墊層區(qū)、過(guò)渡層區(qū)、主堆石區(qū)、副堆石區(qū)，下游壩面采用干砌石護(hù)坡。鋼筋混凝土防滲面板厚0.3～0.6m，面板每8m分縫；趾板寬度7.0m，厚0.6m。

堆石體共分墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)，各分區(qū)材料要求如下。

(1)墊層區(qū)為面板下的半透水性墊層料，墊層料為級(jí)配良好的水工砂礫料，最大粒徑100mm，小于5mm的顆粒含量為40%～50%，小于0.1mm的顆粒含量不大于5%～10%。

(2)墊層料下為過(guò)渡區(qū)，即透水墊層料。過(guò)渡材料要求具有壓縮性小，強(qiáng)度高，對(duì)2A區(qū)墊層料具有反濾保護(hù)作用。

(3)主堆石區(qū)，要求級(jí)配良好的堆石料，最大粒徑為600mm。

(4)下游副堆石區(qū)使用任意級(jí)配的開挖石料，即強(qiáng)風(fēng)化石料，最大粒徑600～1000mm。

溢洪道布置在大壩右岸，緊鄰大壩布置，由山體開挖而成，采用寬敞式無(wú)閘泄流方式，平面布置呈折線形，水平總長(zhǎng)172.006m。

引水隧洞布置在大壩右岸，隧洞總長(zhǎng)280m，采用圓形有壓洞，隧洞內(nèi)徑為1.8m，鋼筋混凝土襯砌厚0.4m。

3.3 混凝土拱壩方案

大壩采用單心圓雙曲拱壩，壩頂外拱弧長(zhǎng)198.00m，由左、右岸非溢流壩及溢流壩組成，其中左岸非溢流壩外拱弧長(zhǎng)76.00m，右岸非溢流壩外拱弧長(zhǎng)88.00m，溢流壩外拱弧長(zhǎng)34m。壩頂高程261.00m，設(shè)計(jì)最大壩高58.0m，壩頂寬4.0m，最大底寬13.8m，厚高比0.238。拱壩壩體采用C15混凝土澆筑，上游面設(shè)1.5m厚C25混凝土防滲面板。

由于壩址附近缺乏適宜布置岸邊溢洪道的埡口，因此采用壩頂溢流。溢流壩為無(wú)閘控制出流，布置在大壩中部。溢流壩分3孔，每孔凈寬10m。溢流堰采用WES曲線型實(shí)用堰。溢流堰體采用C30混凝土，堰面及兩側(cè)邊墻(寬1.0m)采用C30混凝土澆筑。

引水隧洞布置在大壩右岸。隧洞取水口位于左壩頭上游約110m處，隧洞總長(zhǎng)275m，采用圓形有壓洞，隧洞內(nèi)徑為1.8m，C25鋼筋混凝土襯砌厚0.35m。

4 綜合比較

4.1 地形地質(zhì)

壩址所在位置河谷呈“V”形，壩址處兩岸地形陡峭，地形無(wú)埡口，根據(jù)壩基及兩岸壩肩巖體地質(zhì)描述，壩址區(qū)基巖巖性為泥盆系上統(tǒng)中棚組石英砂巖夾粉砂巖。由于構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，同時(shí)受風(fēng)化營(yíng)力的作用，壩基及兩岸壩肩巖體存在不同程度的風(fēng)化特征，分為強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化(上帶、下帶)2個(gè)風(fēng)化帶。若考慮新建拱壩則對(duì)地質(zhì)條件要求較高，兩岸壩肩巖體主要為弱風(fēng)化上帶，該層巖體RQD值較低，巖體質(zhì)量差，且壩址處壩基巖石地質(zhì)節(jié)理裂隙發(fā)育，因此建造拱壩時(shí)拱壩壩基開挖較深。

4.2 料場(chǎng)

根據(jù)建筑材料的實(shí)地調(diào)查成果，天然建筑材料中土料場(chǎng)有南坑口土料場(chǎng)運(yùn)距約25km、南坑尾土料場(chǎng)運(yùn)距約27km，料場(chǎng)儲(chǔ)量豐富，土料質(zhì)量較好，但運(yùn)距較遠(yuǎn)，且開采取土困難；塊石料場(chǎng)有西牛石料場(chǎng)，料場(chǎng)石料質(zhì)量及儲(chǔ)量均滿足要求，料場(chǎng)運(yùn)距42km；本工程砂礫石料場(chǎng)運(yùn)距較遠(yuǎn)約42km；就料場(chǎng)條件而言，壩型若采用混凝土重力壩，可就近拌制混凝土料，能就近取材，節(jié)約工程建設(shè)時(shí)間、材料運(yùn)輸時(shí)間及成本，混凝土重力壩或拱壩方案優(yōu)于混凝土面板堆石壩方案。

4.3 施工

從施工方面分析，混凝土澆筑量拱壩比重力壩少4.87萬(wàn)m3，但拱壩的施工技術(shù)要求更高，技術(shù)較為復(fù)雜，同時(shí)拱壩溫度變化對(duì)壩體應(yīng)力及穩(wěn)定影響很大，因此對(duì)壩體澆筑的溫度控制要求更高；而重力壩雖然混凝土澆筑方量更大，但是施工較為簡(jiǎn)單，技術(shù)要求更低，有利于加快施工進(jìn)度，同時(shí)重力壩利用自重穩(wěn)定，對(duì)溫度變化的適應(yīng)性更強(qiáng)，對(duì)壩體澆筑的溫度控制要求比拱壩較低，因此從施工方面看，重力壩比拱壩更優(yōu)。

從前期施工方面比較，重力壩的開挖量不大，可順利在枯水期澆筑至汛期水位。而拱壩開挖量較大(比重力壩多5.54萬(wàn)m3)，開挖難度較高，對(duì)前期施工的要求較高。因此從前期施工方面比較采用重力壩比拱壩更優(yōu)。

堆石壩方案則取材困難、大壩施工必須通過(guò)先開挖隧洞導(dǎo)流，施工要跨兩個(gè)枯水期，工期明顯要長(zhǎng)。受導(dǎo)流隧洞過(guò)流能力影響，要修建比較高的圍堰，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，另外，堆石壩施工受天氣影響大，施工質(zhì)量控制相對(duì)較難。

就施工條件而言，混凝土重力壩方案具有樞紐建筑物組成簡(jiǎn)單、施工導(dǎo)流難度相對(duì)較小、施工工期短的優(yōu)點(diǎn)，重力壩壩型比拱壩、堆石壩型更優(yōu)。

4.4 工程管理

從工程運(yùn)行管理分析，混凝土重力壩在樞紐布置方面較為集中，混凝土重力壩則只需在壩體埋管設(shè)閘閥放水至下游即可，無(wú)需其他附屬設(shè)施。建筑物運(yùn)行管理方便、安全可靠；而堆石壩方案樞紐布置需另新建引水系統(tǒng)及泄洪建筑物，建筑物運(yùn)行管理不方便。就工程運(yùn)行管理而言，混凝土重力壩明顯優(yōu)于其他壩型。

4.5 征地移民

混凝土重力壩及拱壩方案建筑物布置緊湊，大壩斷面相對(duì)較小，相應(yīng)樞紐工程征地移民投資少；混凝土面板堆石壩方案建筑物分散、大壩斷面大，相應(yīng)征地移民投資大。就征地移民而言，混凝土拱壩及混凝土重力壩方案優(yōu)于混凝土面板堆石壩。

根據(jù)以上壩型選擇比較分析，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，上述三種壩型的主要工程量及投資比較、優(yōu)缺點(diǎn)比較詳見表1、表2。

從表1、表2可知，混凝土堆石壩方案由于堆石方量大，塊石運(yùn)距遠(yuǎn)，堆石碾壓要求高，大壩體型大，相應(yīng)建筑工程投資大，較混凝土重力壩多4118.3946萬(wàn)元，因此，從地形地質(zhì)條件、料場(chǎng)條件、施工條件、工程管理、征地移民及工程投資等綜合比較，混凝土重力壩方案優(yōu)于混凝土面板堆石壩方案；混凝土拱壩方案比混凝土重力壩方案總投資僅少594.3145萬(wàn)元，因此從投資方面比較宜選擇埋石混凝土壩或混凝土拱壩。但是采用混凝土拱壩對(duì)施工技術(shù)要求更高，技術(shù)較為復(fù)雜，同時(shí)拱壩溫度變化對(duì)壩體應(yīng)力及穩(wěn)定影響很大，因此對(duì)壩體澆筑的溫度控制要求更高；而重力壩雖然混凝土澆筑方量更大，但是施工較為簡(jiǎn)單，技術(shù)要求更低，有利于加快施工進(jìn)度，同時(shí)重力壩利用自重穩(wěn)定，對(duì)溫度變化的適應(yīng)性更強(qiáng)，對(duì)壩體澆筑的溫度控制要求比拱壩較低。

5 結(jié)論

綜合各方面因素，混凝土重力壩方案具有樞紐建筑物組成簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便、施工導(dǎo)流難度相對(duì)較小、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，本次可研階段推薦混凝土重力壩壩型為設(shè)計(jì)壩型。

表1 混凝土重力壩、混凝土面板堆石壩、混凝土拱壩大壩主要工程量及投資表

表2 各壩型優(yōu)缺點(diǎn)比較表