花壩水庫大壩壩址壩型比選及結(jié)構(gòu)布置

白 超

(遵義水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

花壩水庫位于桐梓縣芭蕉鎮(zhèn)北部的橋溝中游，橋溝為羊蹬河左岸三級(jí)支流，復(fù)興河左岸二級(jí)支流，帥家溝右岸一級(jí)支流，屬于長江流域綦江水系。壩址以上流域面積為2.74 km2，多年平均入庫徑流量為154萬m3。工程任務(wù)為集鎮(zhèn)、農(nóng)村供水及農(nóng)田灌溉，設(shè)計(jì)水平年(2030年)年供水量為103萬m3。正常蓄水位為1 018.00 m，相應(yīng)庫容為78.1萬m3，總庫容為89.0萬m3。水庫樞紐主要由瀝青混凝土心墻壩、右岸開敞式溢洪道、左岸取(放)水建筑物等組成，最大壩高為48 m。水庫規(guī)模為小(2)型，工程等別為Ⅴ等。

2 建壩河段及壩線壩型比選

2.1 建壩河段選址

結(jié)合芭蕉鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃、區(qū)域用水戶缺水情況等，設(shè)計(jì)確定花壩水庫工程任務(wù)為集鎮(zhèn)、農(nóng)村供水及農(nóng)田灌溉。區(qū)域2030年需水量為106.9萬m3/a，現(xiàn)狀水源無更新改造、續(xù)建配套的條件，現(xiàn)狀水源供水量為16.7萬m3/a，缺水量為90.2萬m3/a，缺水率達(dá)84.4%。為解決芭蕉集鎮(zhèn)7 800人生活用水問題、輸水管沿線及灌區(qū)4 500人用水問題和下游230.66 hm2灌面的用水問題，區(qū)域必須新建水源工程才能滿足需水要求。芭蕉鎮(zhèn)所在區(qū)域主要分布有復(fù)興河及其支流作坊溝、大洞溝、帥家溝、黃溝溪、橋溝等，與復(fù)興河干流呈樹枝狀發(fā)育展布，復(fù)興河干流河床總體平緩，其上游河段與支流河床比降總體較大?？傮w區(qū)域水系相對(duì)較發(fā)育，但區(qū)域受地質(zhì)構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，水資源開發(fā)條件差，利用困難，境內(nèi)水利工程較少，受水區(qū)目前沒有穩(wěn)定的供水水源工程，是桐梓縣目前缺水較嚴(yán)重的區(qū)域，屬于典型的工程性缺水地區(qū)。芭蕉鎮(zhèn)區(qū)域流域分布如圖1所示。

1) 復(fù)興河

發(fā)源于桐梓縣芭蕉鎮(zhèn)長巖村的正家灣，屬綦江右岸二級(jí)支流，羊蹬河左岸一級(jí)支流，全流域面積為259 km2，河長為28.7 km，平均坡降為16.7‰。復(fù)興河半坡至芭蕉集鎮(zhèn)河段建壩成庫存在深部巖溶滲漏問題，防滲處理難度及工程量極大；半坡以上至河源河段兩岸多為碎屑巖地層分布，雖不存在巖溶滲漏問題，但該河段河床比降總體較大，集雨面積小(僅1.2 km2)，來水量不能滿足區(qū)域用水需求，不考慮在復(fù)興河干流修建花壩水庫工程作為受水區(qū)供水水源。

2) 作坊溝

作坊溝發(fā)源于桐梓縣芭蕉鎮(zhèn)頂箐山，全流域面積為2.5 km2，多年平均徑流量為150萬m3，主河道長為3.66 km，主河道加權(quán)平均比降為110‰。作坊溝來水量較小且全流域河谷深切，山高坡陡，河段比降大，無建壩成庫條件。

圖1 芭蕉鎮(zhèn)區(qū)域流域分布示意

3) 大洞溝、黃溝溪和帥家溝

3條河流均為羊蹬河左岸二級(jí)支流，復(fù)興河右岸一級(jí)支流，其中：大洞溝發(fā)源于桐梓縣芭蕉鎮(zhèn)頂箐山，全流域面積為5.8 km2，多年平均徑流量為348萬m3，河長為4.42 km，主河道加權(quán)平均坡降為93.9‰；黃溝溪發(fā)源于桐梓縣芭蕉鎮(zhèn)筍子槽，全流域面積為10.4 km2，多年平均徑流量為624萬m3，河長為5.5 km，主河道加權(quán)平均坡降為60.2‰；帥家溝發(fā)源于桐梓縣芭蕉鎮(zhèn)苗寨坪，全流域面積為13.0 km2，多年平均徑流量為780萬m3，河長為4.74 km，主河道加權(quán)平均坡降為84.0‰。黃溝溪鑼鼓坪以上河段和帥家溝河流河道比降大，河谷深切，兩岸多為陡崖，無有效庫容，不具備建壩成庫條件。大洞溝和黃溝溪鑼鼓坪至河口河段河道，受區(qū)域斷層構(gòu)造影響，流域內(nèi)巖溶發(fā)育，河谷多形成干谷，僅汛期暴雨季節(jié)河谷見水流，雨過天晴河水迅速下潛，河流干涸。建壩成庫存在深部巖溶滲漏問題，防滲處理難度及工程量極大[1-2]，也不考慮在這3條河流上修建花壩水庫。

4) 橋溝

橋溝為羊蹬河左岸三級(jí)支流，復(fù)興河左岸二級(jí)支流，帥家溝右岸一級(jí)支流。發(fā)源于桐梓縣芭蕉鎮(zhèn)長巖村的糍粑店，全流域面積為3.75 km2，地表分水嶺外補(bǔ)水面積為0.24 km2，河長為4.1 km，流域形狀系數(shù)0.223，主河道加權(quán)平均坡降為74.0‰，多年平均徑流量為229萬m3。橋溝上游河段集雨面積小，來水量有限，不能滿足受水區(qū)用水需求。下游河段洞灣斷層F1以下河流總體較順直，兩岸地形陡峭，對(duì)稱性較好。出露地層巖性均為寒武系上統(tǒng)毛田組(∈3m)白云巖,白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r，兩岸基巖多裸露。該河段地形條件雖較好，但地層巖性不均一，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，存在沿強(qiáng)巖溶層向下游、兩岸低鄰谷及左岸高速公路隧洞滲漏問題，建壩成庫防滲工程量極大，處理難度極大，不宜建壩成庫。橋溝中游石壩子河段兩岸地形相對(duì)較對(duì)稱，岸坡相對(duì)較緩，河床比降相對(duì)平緩，出露地層主要為寒武系上統(tǒng)毛田組(∈3m)、奧陶系下統(tǒng)桐梓組(O1t)、湄潭組(O1m)及第四系(Q)地層。該河段地形地質(zhì)滿足建壩成庫條件，且來水量能夠滿足受水區(qū)用水需求，供水對(duì)象均能夠滿足自流供水，該河段具有建壩唯一性，優(yōu)選橋溝中游石壩子河段作為花壩水庫工程建設(shè)場址。

2.2 壩型比選

根據(jù)建壩壩址處的地形地質(zhì)條件，區(qū)域構(gòu)造洞灣斷層F1以下為強(qiáng)巖溶地層，存在深部滲漏問題，防滲處理難度極大。2、4號(hào)沖溝處斷層F1帶受斷層切割影響，風(fēng)化深度大，巖體破碎，多呈散體或碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖體質(zhì)量差，斷層帶透水性強(qiáng)，建壩基礎(chǔ)處理及防滲處理工程量大，處理難度大。結(jié)合花壩水庫規(guī)模要求及樞紐布置，建壩選擇在F1斷層上游左岸1、2號(hào)沖溝及右岸3、4號(hào)沖溝之間河段。該河段兩岸均有沖溝發(fā)育，右岸為相對(duì)單薄的脊?fàn)钌襟w，兩岸地形對(duì)稱性較差。河床多為厚3～6 m沖洪積砂卵礫石、崩塌塊石等覆蓋層，岸坡地表多為0～5 m殘坡積含碎石砂質(zhì)土等覆蓋，且厚薄分布不均。壩基、肩巖體以O(shè)1m頁巖、粉砂質(zhì)泥巖軟質(zhì)巖為主，弱風(fēng)化為CⅢ～CⅣ類，巖層以3°～4°緩傾左岸偏上游，近水平產(chǎn)出，受區(qū)域斷層F1影響，存在斷層破碎帶，節(jié)理裂隙較發(fā)育。河床巖體強(qiáng)風(fēng)化深度3～5 m，兩岸6～9 m不等。壩址處地形地質(zhì)條件，不宜修建重力壩或拱壩，宜修建土石壩。

結(jié)合壩址區(qū)附近有少量粘土料分布，但其儲(chǔ)量無法滿足均質(zhì)壩和粘土心墻壩的用量要求，因此,考慮采用非土質(zhì)防滲體材料壩。瀝青混凝土心墻壩的心墻瀝青混凝土受外界氣候及光照影響較小，幾乎不受酷暑及嚴(yán)寒冰凍的影響，且瀝青混凝土的攤鋪、壓實(shí)工序較簡單，與河床及兩岸混凝土及基巖易于連接，帷幕灌漿工作量較省，可作為備選壩型之一；另外，混凝土面板堆石壩較其他類型柔性壩，具有壩體斷面小，可以利用部分開挖料筑壩，趾板澆筑、壩體填筑、面板澆筑等工序可獨(dú)立進(jìn)行互不干擾，壩址地形地質(zhì)條件上均有布置混凝土面板堆石壩的條件，亦可作為備選壩型之一。

花壩水庫壩型樞杻方案綜合比較如表1所示，從表1對(duì)比結(jié)果可知，瀝青混凝土心墻壩方案可節(jié)省投資約405.32萬元，且可以充分的利用各建筑物的開挖棄渣料，因此，設(shè)計(jì)優(yōu)選瀝青混凝土心墻壩方案。

表1 壩型樞杻方案綜合比較

3 瀝青混凝土心墻壩結(jié)構(gòu)布置

3.1 大壩樞紐布置

大壩樞紐由瀝青混凝土心墻壩、右岸溢洪道、左岸取(放)水建筑物等組成(如圖2所示)。

1) 擋水建筑物

大壩壩型為瀝青混凝土心墻壩，壩軸線方位角為N 21.0°E，壩軸線長為160.0 m，壩頂高程為1 021.00 m，壩頂寬為5.0 m，河床瀝青混凝土心墻基座基礎(chǔ)開挖高程為973.00 m，最大壩高為48.0 m，最大壩底寬為189.70 m。壩頂上游側(cè)設(shè)青石欄桿(實(shí)心防浪攔板)，壩頂下游側(cè)設(shè)青石欄桿。上游壩坡坡比為1:2.2，上游壩坡為995.00 m高程以下采用厚60 cm干砌塊石護(hù)坡，995.00 m高程以上采用厚10 cm厚C20混凝土預(yù)制塊護(hù)坡；下游壩坡1:2.0，下游壩坡在高程1 000.00 m設(shè)寬2.0 m馬道，坡面采用C20混凝土網(wǎng)格植草護(hù)坡，977.00 m高程下設(shè)干砌塊石排水棱體。

壩體防滲體為瀝青混凝土心墻，瀝青混凝土心墻采用等厚式，心墻厚度為60 cm。心墻與基礎(chǔ)采用C20混凝土基座連接，其中瀝青混凝土與基礎(chǔ)基座及壩頂防浪墻連接處設(shè)擴(kuò)大段，在接觸面涂抹砂質(zhì)瀝青瑪?shù)僦^渡層并設(shè)銅片止水。為了使心墻和壩殼料之間平緩過渡，在壩殼料與心墻之間設(shè)一個(gè)分區(qū)砂石料過渡層，層厚2.0 m，設(shè)計(jì)干密度不小于2.16 g/cm3，過渡層砂石料最大粒徑為80 mm，小于5 mm的顆粒含量不大于40%，其中緊靠心墻上下游側(cè)過渡料采用同一級(jí)配，其粒徑要求不大于50 mm。

圖2 瀝青混凝土心墻壩樞紐布置示意

2) 溢洪道

溢洪道布置于右岸，采用正槽進(jìn)口、不設(shè)閘自由溢流方案，溢洪道中心線方位為N75.74°E。溢洪道包括進(jìn)水渠段、控制段、泄槽段、消力池段和出水渠，總長為168.0 m。

3) 取(放)水建筑物

取(放)水建筑物布置在左岸，由導(dǎo)流洞改建而成，由進(jìn)水口閘井段、壓力管道段、出口閘閥室及消力池等組成[8]，總長約為272 m。進(jìn)口采用塔式進(jìn)水口，長為12.45 m，其后采取“龍?zhí)ь^”式與隧洞連接。導(dǎo)流隧洞斷面為城門洞型，尺寸為1.80 m×1.80 m，全斷面采用0.4 m厚C25鋼筋混凝土襯砌。放空管出口接消力池，長為7 m，寬為2 m，經(jīng)下游明渠將泄水引入原河道。

3.2 壩體結(jié)構(gòu)布置及壩基處理

3.2.1壩頂高程確定

花壩水庫正常蓄水位為1 018.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為1 019.64 m，校核洪水位為1 020.20 m，風(fēng)區(qū)長度D=450 m。計(jì)算風(fēng)速：校核情況取W=12.0 m/s，正常情況取W=18.0 m/s。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)公式計(jì)算[9]，得壩頂高程計(jì)算成果(如表2所示)。

從表2可知，壩頂高程的控制情況為非常運(yùn)用條件1 020.20 m校核洪水位工況，計(jì)算壩頂高程為1 021.12 m，采用壩頂高程為1 021.00 m。另在上游側(cè)增設(shè)1.2 m高的青石欄桿，頂部高程為1 022.20 m，青石欄桿兼作防浪墻，攔水頂板高程為1 021.60 m。

表2 壩頂高程計(jì)算成果

3.2.2壩體結(jié)構(gòu)布置

大壩為瀝青混凝土心墻壩，結(jié)合壩體施工填筑要求及交通要求，擬定大壩斷面尺寸：壩軸線長為160.0 m，壩頂寬為5.0 m，壩頂高程為1 021.0 m，河床心墻建基面高程為973.00 m，最大壩高為48.0 m，最大壩底厚為189.70 m，壩殼料采用風(fēng)化料及工程區(qū)內(nèi)部分開挖棄渣料。壩頂采用“L”型鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程為1 022.20 m。上游壩坡坡比為1:2.2，上游壩坡在995.00高程以上采用10 cm厚C20混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，在995.00高程以下采用60 cm厚干砌石護(hù)坡；下游壩坡為1:2，下游壩坡在高程1 000.00 m設(shè)寬2.0 m馬道，坡面采用C20混凝土網(wǎng)格植草護(hù)坡，977.0 m高程下設(shè)干砌塊石排水棱體。

壩體防滲材料為瀝青混凝土，瀝青混凝土心墻厚度為60 cm。心墻與基礎(chǔ)采用C20混凝土基座連接，其中瀝青混凝土與基礎(chǔ)基座及壩頂防浪墻連接處設(shè)擴(kuò)大段，并在接觸面設(shè)砂質(zhì)瀝青瑪?shù)僦^渡層。為了使心墻和壩殼料之間平緩過渡，在瀝青混凝土心墻上下游與壩殼料之間設(shè)一個(gè)分區(qū)砂石料過渡層，層厚2.0 m。壩體填筑應(yīng)密實(shí)均勻、具有足夠的抗剪強(qiáng)度和低壓縮性[10]。按花壩水庫工程大壩材料分區(qū)，壩體各區(qū)填筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(如表3所示)。

表3 填筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

注：1.最大干密度采用大型擊實(shí)試驗(yàn)確定；2.防滲瀝青混凝土壓實(shí)后滲透系數(shù)≤1×10-8cm/s。

3.2.3壩基處理

1) 開挖

花壩水庫最大壩高48.0 m，根據(jù)規(guī)范要求和河床段、左右岸心墻基礎(chǔ)的地質(zhì)條件，心墻基礎(chǔ)應(yīng)開挖至堅(jiān)硬、不沖蝕和可灌漿的基巖，將心墻基礎(chǔ)于強(qiáng)風(fēng)化底部，河床段心墻基礎(chǔ)挖深2～5 m，左岸挖深2～7 m，右岸挖深2～8 m。對(duì)心墻以外的上、下游的壩基基礎(chǔ)要求清除0.50 m左右耕植層，使岸坡大致平順，不出現(xiàn)陡坎、臺(tái)階及反坡。在心墻基座開挖中，對(duì)地質(zhì)條件較差位置的開挖邊坡采取錨、網(wǎng)、噴聯(lián)合支護(hù)處理。除受層面控制外，土質(zhì)邊坡開挖坡比采用1:1，巖質(zhì)邊坡開挖坡比采用1:0.5。

心墻基礎(chǔ)開挖中，對(duì)大壩開挖永久土質(zhì)邊坡坡腳設(shè)1 m高C15混凝土擋墻護(hù)腳，坡面設(shè)C15混凝土菱形框格，植草護(hù)坡；巖質(zhì)邊坡采取噴錨支護(hù)處理，掛網(wǎng)噴混凝土厚度為10 cm，并布置Φ25的系統(tǒng)錨桿，錨桿根長為3.0～4.5 m；對(duì)地質(zhì)條件較差位置的壩基開挖巖質(zhì)臨時(shí)邊坡采取噴錨支護(hù)，并布置Φ25的隨機(jī)錨桿，錨桿根長為3.0～4.5 m。

2) 基礎(chǔ)灌漿

大壩基礎(chǔ)開挖過程中，爆破震動(dòng)可能使巖體松動(dòng)，從而降低其承載力，為保證壩基巖體的完整性，需對(duì)大壩心墻基礎(chǔ)作固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿孔間、排距均為2.0 m，孔深為5.0 m，固結(jié)灌漿總進(jìn)尺為1 324 m。

花壩水庫規(guī)模為小(2)型工程，心墻壩最大壩高為48.0 m，屬中壩，防滲標(biāo)準(zhǔn)采用透水率q≤5 Lu控制，因壩基巖體主要為頁巖、粉砂質(zhì)泥巖等碎屑巖，可灌性一般。設(shè)計(jì)防滲帷幕單排孔布置，孔距2.0 m，按3序次施工。瀝青混凝土心墻壩防滲帷幕灌漿鉆孔總進(jìn)尺4 347 m，防滲帷幕有效總面積約0.67萬m2。

4 結(jié)語

為確?；▔嗡畮煸O(shè)計(jì)方案與工程實(shí)際具有較好匹配性，通過對(duì)建壩河段、壩址壩型和樞紐布置進(jìn)行論證和對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1) 根據(jù)芭蕉鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃和區(qū)域用水戶缺水情況，結(jié)合芭蕉鎮(zhèn)區(qū)域流域分布情況，經(jīng)現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)鉆探分析，對(duì)各河流建壩成庫條件、地質(zhì)適宜性和壩基防滲處理等進(jìn)行詳細(xì)論證，優(yōu)選橋溝中游石壩子河段作為花壩水庫工程建壩場址。

2) 壩址處受區(qū)域斷層F1影響，存在斷層破碎帶，節(jié)理裂隙較發(fā)育，不具備修建重力壩或拱壩條件，宜修建土石壩。經(jīng)地基要求及壩型特點(diǎn)、泄洪及取(放)水建筑物布置、施工條件和綜合投資等因素的對(duì)比分析，設(shè)計(jì)優(yōu)選地形地質(zhì)適宜性好、開挖棄渣料利用率高、綜合投資較省的瀝青混凝土心墻壩。

3) 設(shè)計(jì)方案評(píng)審論證表明：花壩水庫瀝青混凝土心墻壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壩體分區(qū)及筑壩材料選擇、壩基開挖及防滲處理等均較為合理，結(jié)構(gòu)參數(shù)符合規(guī)范要求。