山區(qū)綜合性水利工程壩型比選研究

何綺玲

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510630)

1 工程背景

擬建中的某水利工程是一座以防洪和發(fā)電為主，兼顧灌溉和養(yǎng)殖等諸多功能的綜合性水利工程。電站的裝機容量為24 MW，保證出力68 MW，多年平均發(fā)電量為10.28×108kW·h。水庫正常蓄水位872 m，死水位845 m，調(diào)節(jié)庫容1.25×108m3。壩址區(qū)的地貌為典型的峽谷地貌，平水期河道寬度約30～90 m，水深2～5 m。兩岸山體比較陡峭，局部為陡崖，沒有明顯的階地和沖溝發(fā)育。壩址部位的河谷呈現(xiàn)出典型的寬V形特征，谷地寬度約70 m，正常蓄水位高程的谷寬310 m。兩岸地形基本對稱。壩址兩岸的坡積層厚度一般為2～4 m，主要是砂卵礫石，基巖為片麻巖，巖體風化情況比較顯著，全風化帶厚度約5～25 m。由于項目所在地周邊20 km區(qū)域內(nèi)沒有適合用作大壩防滲材料的黏土，而砂石料相對比較豐富。因此，初步擬定瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩和混凝土重力壩等3個壩型。

2 地質(zhì)條件對比分析

針對瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩和混凝土重力壩等3種初步擬定的壩型與壩址區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行對比分析[1]。其中，瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩對地質(zhì)環(huán)境的要求比較接近，因此作為一種壩型進行分析。具體的分析結(jié)果見表1。從壩型和壩址區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件的適配性來看，堆石壩和混凝土重力壩互有優(yōu)劣，但均具備設(shè)計建設(shè)的基本地質(zhì)條件。

表1 不同壩型地質(zhì)條件分析對比

3 壩型布置與投資對比

3.1 超高計算

超高計算是壩型設(shè)計和選擇的重要內(nèi)容。在此次研究中，搜集了壩址區(qū)近50年的氣象資料，對當?shù)孛磕?-10月份的最大風速進行統(tǒng)計和分析，并以此為基礎(chǔ)進行大壩的超高計算，結(jié)果見表2[2]。由表2中的結(jié)果可以看出，堆石壩和混凝土重力壩的超高計算結(jié)果分別為884.17和883.32 m，并以此為基礎(chǔ)進行大壩的初步設(shè)計與工程量估算[3]。

表2 大壩超高計算結(jié)果 /m

3.2 壩型結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合壩址區(qū)的實際情況和工程技術(shù)需求以及大壩超高計算獲取的壩頂高程數(shù)據(jù)，對不同壩型進行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體如下：

3.2.1 瀝青混凝土心墻壩

如果大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩壩型，其初步設(shè)計的壩軸線長為344.32 m，壩頂高程為884.17 m，壩頂寬設(shè)計為5.5 m，大壩上游面的坡度為1∶1.6，下游面的坡度為1∶2.1。壩體內(nèi)部的主要防滲結(jié)構(gòu)為頂寬60 cm、底寬80 cm的瀝青混凝土心墻。在心墻的兩側(cè)各設(shè)置寬度為2.0 m的砂礫石過渡帶。在大壩的壩基部位設(shè)置混凝土防滲墻和帷幕灌漿，作為壩基部位的主要防滲結(jié)構(gòu)[4]。其中，防滲墻的深度要達到基巖無風化基巖內(nèi)部2.5 m[5]。

3.2.2 混凝土面板堆石壩

如果采用混凝土面板堆石壩設(shè)計思路，其壩軸線長、壩頂高程和壩頂寬與瀝青混凝土心墻相同。大壩的上游面和下游面的坡度分別為1∶1.6和1∶1.5。大壩壩體的主要防滲結(jié)構(gòu)為混凝土面板，其頂部厚度為30 cm、底部厚度為50 cm。在壩體內(nèi)部的堆石體部位設(shè)置寬度2.0 m的墊層和反過濾層。大壩的下游面為厚50 cm的干砌石護坡，下設(shè)帷幕灌漿[6]。在壩腳部位設(shè)置濾水壩趾，其頂寬為4.0 m，坡度設(shè)置為1∶1.5。

3.2.3 混凝土重力壩

如果采用混凝土重力壩壩型設(shè)計，其壩長為321 m，壩頂高程為883.32 m，壩頂寬為5.5 m。大壩的壩殼厚度設(shè)計為2.0 m，其中上游壩殼為豎直布置方式，下游壩坡坡度為1∶0.7，斜坡段高程為875.50 m。由于混凝土重力壩需要有較高的壩基條件，因此重力壩壩基需要深入基巖2.0 m，同時需要多壩基的分化破碎帶進行固結(jié)灌漿，設(shè)計灌漿深度為8.0 m，灌漿孔為矩形陣列布置，孔距為2.0 m，排距為3.0 m。為了提高壩殼的強度，需要設(shè)置表面鋼筋。在壩殼內(nèi)部利用常態(tài)C20混凝土填筑[7]。

3.3 壩型投資計算結(jié)果

根據(jù)上文對不同壩型的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計，結(jié)合項目所在地2020年的價格平均水平，對不同壩型的投資額進行估算，具體的估算結(jié)果見表3。

表3 不同壩型投資統(tǒng)計結(jié)果

由表3中的結(jié)果可以看出，由于混凝土重力壩壩型設(shè)計對壩基要求較高，而壩址區(qū)的覆蓋層明顯較厚，因此采用該壩型設(shè)計需要較大的開挖量。雖然壩頂高程較另外兩種方案偏低一點，但是最大壩高會大很多，因此需要較大的混凝土澆筑量[8]。另一方面，由于項目地處偏遠，大壩建設(shè)所需的水泥等材料和人工均需要通過外購的方式解決，因此大幅增加了工程成本，最終造成混凝土重力壩成本明顯偏高，不推薦采用。對另外兩種堆石壩壩型而言，受到與上文類似因素的影響，混凝土面板的造價較高，造成混凝土面板堆石壩壩型的工程成本比瀝青混凝土心墻壩高出1 079萬元左右。由此可見，從工程的經(jīng)濟性來看，推薦使用瀝青混凝土心墻堆石壩壩型。

3.4 施工導流方案評價

施工導流是影響大壩設(shè)計建設(shè)的重要因素，結(jié)合背景工程的實際情況和工程技術(shù)因素，提出以下3種施工導流方案進行比選。

方案一為導流隧洞導流方案。為配合混凝土重力壩壩型，采用該方案需要新建長度為500 m、洞徑為5.0 m的導流洞，以滿足276.54 m3/s的最大泄流量。方案二為溢洪道砍平頭導流方案。為配合混凝土面板堆石壩壩型，該方案的溢洪道凈寬設(shè)計為34.0 m，以滿足456.43 m3/s的最大泄流量。方案三為分期溢洪道砍平頭導流方案，主要配合瀝青混凝土心墻堆石壩壩型設(shè)計。該方案分兩期進行施工，第一期為導流明渠，第二期利用圍堰封閉導流明渠。顯然，導流建筑一般不是永備工程，因此應該控制成本，盡量采用簡潔、方便的設(shè)計方案。因此，對各方面的因素進行綜合考慮和分析，推薦采用投資成本低、施工方便、工期較短的瀝青混凝土心墻堆石壩配合分期溢洪道砍平頭的導流方案。

4 壩型比選結(jié)果

通過對3種初選壩型的地質(zhì)條件、投資成本以及施工導流方面的優(yōu)勢和劣勢進行綜合對比，從結(jié)果來看，瀝青混凝土心墻堆石壩具有較為明顯的優(yōu)勢：①該壩型在施工過程中易于壩基、心墻以及岸坡的連接，有助于整體控制施工質(zhì)量；②該壩型后期的沉降變形對心墻的影響相對較小，有助于提升大壩后期運行中的安全性和穩(wěn)定性；③大壩的防滲結(jié)構(gòu)位于大壩內(nèi)部，較少受外界環(huán)境和不確定因素的影響，有利于提升大壩的抗?jié)B性；④該壩型的材料容易獲取，施工工藝簡單。基于此，建議大壩采用瀝青混凝土心墻壩壩型設(shè)計。

5 結(jié) 語

針對某新建水電站，通過地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計、投資水平和導流方案等因素的對比分析，提出了壩型選擇的一般分析過程，最終確定采用瀝青混凝土心墻堆石壩壩型設(shè)計。研究成果可為具有類似的氣候、地質(zhì)條件的水利工程壩型設(shè)計提供有益的經(jīng)驗借鑒。在今后的研究中，還需要對選定的壩型進行必要的計算復核，特別是進行壩體結(jié)構(gòu)細化設(shè)計以及穩(wěn)定性復核計算，以驗證壩型設(shè)計的可行性與有效性。