某工程樞紐水庫(kù)壩型比選

程彥文

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

甘肅迭部縣某工程是以城鄉(xiāng)生活供水、工業(yè)供水及生態(tài)環(huán)境用水為主，兼有發(fā)電、防洪等綜合功能的大型跨流域調(diào)水工程。工程樞紐大壩位于甘肅省迭部縣，B江干流與其支流L溝交匯處下游，此處21世紀(jì)初已建成1座小型水庫(kù)大壩，仍在正常運(yùn)行，工程樞紐大壩若開工實(shí)施，需對(duì)原有水庫(kù)大壩進(jìn)行拆除。

水庫(kù)為水源水庫(kù)，總庫(kù)容為5.20億m3，年供水量9.60億m3，工程規(guī)模屬于大(2)型。其中混凝土面板堆石壩按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，5 000年一遇洪水校核，相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為2 028 m3/s，校核洪水洪峰流量為2 819 m3/s；混凝土重力壩與混凝土拱壩按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核，相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為2 028 m3/s，校核洪水洪峰流量為2 501 m3/s。

2 壩址地形地質(zhì)條件

B江與其支流L溝一起在壩址區(qū)附近形成“Y”字型地貌形態(tài)，壩址段河谷狹窄，河水位高程1 665 m，水面寬約20 m，水深2～4 m。峽谷兩岸山體雄厚，海拔高程3 000 m以上，相對(duì)高差>1 000 m，左岸基巖裸露，1 780 m高程以下自然岸坡坡度60°，以上36°左右；右岸1 726 m高程以下表層為厚3～8 m的坡積塊石碎石土覆蓋，自然岸坡角22°，1 726 m高程以上基巖裸露，坡度42°左右。水邊基巖裸露，河床覆蓋層厚3～5 m。壩址區(qū)出露華力西期細(xì)粒似斑狀黑云母花崗閃長(zhǎng)巖(γδ4)和志留系中上統(tǒng)卓烏闊組板巖(Szw)。壩址區(qū)范圍內(nèi)沒有規(guī)模較大斷層通過(guò)，僅發(fā)育一些小斷層。壩址區(qū)左右岸巖體風(fēng)化程度有一定差異，左岸強(qiáng)風(fēng)化僅在緩坡表層出露，厚度2～3 m，弱風(fēng)化水平厚度5～8 m，右岸強(qiáng)風(fēng)化帶局部出露，因構(gòu)造影響弱風(fēng)化的厚度20～30 m，河床無(wú)強(qiáng)風(fēng)化帶，弱風(fēng)化厚度<10 m。

壩址區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙性潛水，又可細(xì)分為風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水2種。風(fēng)化裂隙水貯存于花崗閃長(zhǎng)巖的風(fēng)化殼裂隙中，以孔隙裂隙潛水為主，局部可能有微承壓性，主要含水層為強(qiáng)、弱風(fēng)化帶，富水性較差。構(gòu)造裂隙水貯存于花崗閃長(zhǎng)巖的斷裂和節(jié)理裂隙中，其富水性遠(yuǎn)較風(fēng)化裂隙水好，不具統(tǒng)一的地下水位，局部可能有承壓性。地下水受大氣降水補(bǔ)給，其儲(chǔ)存與排泄主要受構(gòu)造的控制，在以構(gòu)造裂隙水為主時(shí)，地下水的不均一性十分顯著，無(wú)統(tǒng)一的潛水面。壩址兩岸的巖體因構(gòu)造發(fā)育程度不同，地下水的分布明顯不同，左岸節(jié)理較少，巖體完整，地下水位較高，水力坡降大，右岸山體受構(gòu)造帶影響，巖體透水性好，地下水位接近于河水位。弱風(fēng)化巖體以中等～弱透水為主，微風(fēng)化～新鮮巖體以弱～微透水為主，壩址區(qū)相對(duì)隔水層的頂界線(<5 Lu)低于弱風(fēng)化巖體底界線。

3 壩型比選分析

根據(jù)樞紐壩址區(qū)的地形、地質(zhì)條件，在壩址上下300 m左右的峽谷范圍內(nèi)，巖體風(fēng)化程度、構(gòu)造發(fā)育程度無(wú)明顯差別，壩基開挖選擇在弱風(fēng)化巖體上，大部分屬于II1～I(xiàn)II類巖體，其承載力可滿足修建各類壩型的要求。

壩址區(qū)附近堆石料儲(chǔ)量豐富，主要分布在壩址主河道和支溝交匯處，砂礫石料缺乏。擬建壩體高度約160 m，初步選用當(dāng)?shù)夭牧蠅闻c混凝土壩進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)貕K石料儲(chǔ)量多，可就近開采，但土料分布較少，因此當(dāng)?shù)夭牧蠅螖M采用混凝土面板堆石壩；根據(jù)壩址處的地形地質(zhì)條件，河道為比較狹窄的U形河谷，兩岸基巖裸露，河床覆蓋層也較淺，適合建碾壓高混凝土壩與混凝土拱壩，根據(jù)壩址區(qū)河谷寬高比，擬定混凝土壩采用碾壓混凝土重力壩與混凝土拱壩進(jìn)行方案比選，2種壩型技術(shù)發(fā)展成熟，施工工藝簡(jiǎn)單。

3.1 碾壓混凝土重力壩方案

壩軸線位于壩址區(qū)順直河段，距上游B江與L溝交匯處約300 m。碾壓混凝土重力壩最大壩高165 m，壩頂高程1 820.00 m，壩頂寬度10 m，壩頂長(zhǎng)度373 m，共分13個(gè)壩段。壩體基本斷面為三角形斷面，壩體上游面在1 715.00 m高程以上垂直，以下設(shè)坡度1∶0.20，下游面在1 802.00 m高程以上垂直，以下設(shè)坡度1∶0.75。大壩典型橫斷面見圖1。

圖1 碾壓混凝土重力壩典型橫斷面圖

溢洪道位于河床壩段，設(shè)3孔弧形工作門，單孔尺寸8 m×13 m(寬×高)，最大泄洪流量1 737 m3/s。溢流面采用WES曲線，堰頂高程1 807.00 m，下接直線段，縱坡1∶0.75，后接反弧段，反弧半徑16 m，挑角30°，挑流鼻坎高程1 679.43 m。

溢洪道右側(cè)設(shè)一道泄洪沖沙中孔，底板高程1 740.00 m，進(jìn)口設(shè)平板檢修門，孔口尺寸4 m×6 m(寬×高)，后接平直段和壓坡段，后設(shè)弧形工作門，閘孔尺寸4 m×5 m(寬×高)，末端接反弧段，反弧半徑25 m，挑角15°，挑流鼻坎高程為1 740.30 m，最大泄洪流量655 m3/s。

溢流道及泄洪沖沙中孔均采用挑流消能，消能區(qū)范圍內(nèi)河道順直，地質(zhì)條件良好，沖坑最深處位于河道中部，沖刷對(duì)左岸基本沒有影響，對(duì)右岸下游階地部分產(chǎn)生沖刷，不會(huì)引起大的山體滑塌等問題，故此工程消能區(qū)防護(hù)主要是對(duì)壩趾下游河道兩岸校核洪水位以下巖體局部破碎的地方進(jìn)行錨桿掛網(wǎng)噴護(hù)處理。

壩基面以上設(shè)2 m厚C20常態(tài)混凝土墊層，大壩上游面設(shè)4～10 m厚碾壓混凝土防滲層，下游面校核洪水位以下設(shè)3.50 m碾壓混凝土防滲層，壩頂設(shè)1.00 m厚C20常態(tài)混凝土，壩體內(nèi)部采用三級(jí)配碾壓混凝土，大壩泄洪建筑物過(guò)流表面設(shè)C40抗沖耐磨混凝土。

大壩壩基采用固結(jié)灌漿加固處理，灌漿孔間排距2 m，孔深8 m。靠近大壩上游側(cè)設(shè)主副2道防滲帷幕，帷幕下游沿水流方向共設(shè)置4道排水孔。

大壩施工利用現(xiàn)狀原有大壩作為上游圍堰，下游圍堰采用土石圍堰，導(dǎo)流洞設(shè)于大壩左岸，采用一次斷流、全年施工的導(dǎo)流方式，施工總工期78個(gè)月。

3.2 混凝土拱壩方案

拱壩位于壩址區(qū)河道轉(zhuǎn)彎段，壩軸線距上游B江與L溝交匯處約70 m。大壩采用C25常態(tài)混凝土，最大壩高165 m，壩頂高程1 820.00 m，壩頂寬度10 m，壩頂弧長(zhǎng)325.90 m，共分16個(gè)壩段。壩體采用雙曲拱壩，厚高比0.26，最大中心角85°，最大厚度43 m。大壩典型橫斷面見圖2。

圖2 混凝土拱壩典型橫斷面圖

溢洪道位于河床壩段，開孔數(shù)和孔口尺寸與重力壩方案相同，溢流面采用WES曲線，堰頂高程1 807.00 m，堰面曲線后接半徑15 m，夾角45°圓弧段，射流鼻坎高程1 794.39 m。與重力壩類似，在溢洪道右側(cè)設(shè)置一道泄洪沖沙中孔，具體參數(shù)與重力壩基本相同，大壩泄洪建筑物過(guò)流表面設(shè)C40抗沖耐磨混凝土。

大壩采用跌流消能，壩趾下游設(shè)水墊塘，復(fù)式梯形斷面，底板頂高程1 654 m，底寬32 m，底板厚3 m，水墊塘末端設(shè)二道壩，最大壩高20 m，壩頂高程1 681 m，二道壩下游設(shè)20 m長(zhǎng)混凝土護(hù)坦。

大壩壩基采用固結(jié)灌漿加固處理，灌漿孔間排距2 m，孔深8 m?？拷髩紊嫌蝹?cè)設(shè)主副兩道防滲帷幕，帷幕下游設(shè)排水孔。

拱壩施工需拆除現(xiàn)狀原有大壩，在大壩上游主河道和L溝分別設(shè)置上游圍堰，下游只需1道圍堰，均為土石圍堰，主河道導(dǎo)流洞設(shè)于大壩右岸，L溝導(dǎo)流洞設(shè)于大壩左岸，采用1次斷流、全年施工的導(dǎo)流方式，施工總工期79個(gè)月。

3.3 混凝土面板堆石壩方案

該方案壩軸線位于碾壓混凝土重力壩壩軸線下游約100 m，混凝土面板堆石壩最大壩高1 56.50 m，壩頂高程1 820.00 m，壩頂寬度12 m，壩頂長(zhǎng)度408 m，上游壩坡1∶1.45，下游壩坡上部為1∶1.50，下部為1∶1.40。大壩上游面設(shè)置C30混凝土面板，面板上游側(cè)下部設(shè)碎石土蓋重和粉細(xì)砂鋪蓋，面板后設(shè)水平寬度分別為4.00 m和6.00 m的墊層料和過(guò)渡料，其后為主堆石區(qū)，后壩坡采用干砌塊石護(hù)坡，壩體底部順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)度為454.57 m。大壩典型橫斷面見圖3。

圖3 混凝土面板堆石壩典型橫斷面圖

溢洪道位于左岸山坡，沿地形開挖而成，上游設(shè)置了229.71 m長(zhǎng)的引水渠，渠底高程為1 803.30 m，設(shè)3孔弧形閘門，孔口尺寸為8×14.20 m，溢流堰頂高程1 805.80 m，泄槽段水平長(zhǎng)214.20 m，縱坡為54.89%和43.49%，出口采用挑流消能，鼻坎高程1 694.28 m，最大泄洪流量2 044 m3/s。

泄洪沖沙洞布置在左岸山體中，部分利用施工導(dǎo)流洞，進(jìn)口高程1 740.00 m，閘室為豎井結(jié)構(gòu)，設(shè)置檢修平板門和弧形工作門；閘后無(wú)壓洞長(zhǎng)682.90 m，出口消能采用挑流消能，最大泄洪流量655 m3/s。

在混凝土面板與壩基巖體接觸位置設(shè)混凝土趾板，對(duì)趾板下基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，并沿趾板布置防滲帷幕。

大壩施工利用現(xiàn)狀原有大壩作為上游圍堰，下游圍堰采用土石圍堰，導(dǎo)流洞設(shè)于大壩左岸，采用一次斷流、全年施工的導(dǎo)流方式，施工總工期60個(gè)月。

3.4 比選結(jié)果

3種壩型方案的大壩樞紐布置都是可行的，各有特點(diǎn)，沒有技術(shù)上的制約因素。各方案具體的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 各方案樞紐布置優(yōu)缺點(diǎn)比較表

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該工程碾壓混凝土重力壩、拱壩和面板堆石壩3種壩型方案的地形地質(zhì)條件、工程布置、工程量、施工條件和工程投資等方面綜合比較可知，面板堆石壩方案要優(yōu)于重力壩和拱壩方案，故設(shè)計(jì)初選混凝土面板堆石壩為推薦壩型。