松子坑水庫改擴建工程壩型設(shè)計方案研究

董世偉

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

0 引言

大壩是水庫工程主要建筑物之一，投資占比較大，合理選擇壩型，有利于保證工程安全可靠、節(jié)省工程投資[1]?，F(xiàn)代施工技術(shù)的進步，新型筑壩材料層出不窮，可利用壩型也越來越多，這給壩型的選擇增加了難度。松子坑水庫改擴建工程基于已有壩體和當(dāng)?shù)刂尾牧?，初步擬定了粘土斜墻土石壩、粘土心墻土石壩和瀝青砼心墻土石壩三種壩型，從技術(shù)可行性、施工條件、檢修便利性及投資額方便進行了綜合比選分析，充分體現(xiàn)了改擴建工程壩型選定的思路。

1 工程概況

松子坑水庫位于深圳市龍崗區(qū)內(nèi)，工程區(qū)原狀為三座緊鄰的小(1)型水庫，分別是松子坑水庫、獺湖水庫和三角樓水庫，相互之間僅為山梁分隔。松子坑水庫是東部供水水源工程進入深圳境內(nèi)的第一座聯(lián)網(wǎng)調(diào)蓄水庫，也是深圳市水源調(diào)蓄體系的主要組成部分。松子坑水庫正常蓄水位及死水位分別為66.00 m和50.00 m，水庫集雨面積4.96 km2，多年平均徑流量為496.0萬m3，興利庫容3303.7萬m3。松子坑水庫擴建工程布置見圖1。

圖1 松子坑水庫擴建工程布置示意圖

2 壩型選定

據(jù)地勘資料，壩線所在壩基地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，除河床段基巖出露外，其余壩段全風(fēng)化土層較厚，地基承載力小，沉降量大，不適宜選用砼壩、砌石壩等重力式壩，比較適合均質(zhì)土壩和土石混合壩。從筑壩材料上考慮，料場土料含水量較高，粘粒含量較高，如建成均質(zhì)土壩，孔隙水消散速度慢，不利于加快施工進度。

從壩線地質(zhì)條件考慮，不適宜選用碾壓砼重力壩、混合壩壩型；從土料特性考慮，修建均質(zhì)土壩，不利于加快施工進度。故本設(shè)計只選擇粘土斜墻土石壩、粘土心墻土石壩和瀝青砼心墻土石壩三種壩型進行比較。

2.1 初擬壩型

2.1.1 粘土斜墻土石壩

大壩采用粘土斜墻防滲(圖2)，壩頂寬6.0 m，壩頂高程68.00 m，上游壩坡鋪設(shè)粘土斜墻防滲，迎水面采用現(xiàn)澆混凝土板護坡，現(xiàn)澆混凝土板厚250 mm，背水坡為草皮護坡。

圖2 粘土斜墻土石壩標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

壩頂高程68.00 m，最大壩高36.8 m，壩長804 m。壩頂采用預(yù)制砼路面，厚120 mm，下設(shè)200 mm水泥石粉渣墊層。上游壩坡在48.0 m、58.0 m高程處分別設(shè)寬2.0 m馬道，坡比自上而下依次為1∶2.75、1∶3、1∶3.25。下游壩坡自上而下每10 m設(shè)一級馬道，馬道寬2 m，壩坡坡比分別為1∶2.5、1∶2.5、1∶2.75。下游壩腳設(shè)排水棱體，棱體頂高程42.00 m，內(nèi)坡比為1∶1.5，外坡比為1∶2.0。

壩頂上游側(cè)設(shè)置1.2 m高鋼筋砼結(jié)構(gòu)防浪墻，墻頂寬0.5 m；下游側(cè)設(shè)置排水溝和路緣石，溝頂采用預(yù)制砼蓋板。

2.1.2 粘土心墻壩

粘土心墻土石壩(圖3)采用粘土防滲，壩頂寬6.0 m，壩頂高程68.0 m，最大壩高36.8 m，壩長804 m。上、下游壩坡及壩頂結(jié)構(gòu)均與粘土斜墻壩方案相同。防滲心墻頂寬為3.0 m，上游坡比為1∶0.25，下游坡比為1∶0.25。壩頂鋼筋砼防浪墻墻底與粘土心墻可靠連接，防浪墻頂高程69.20 m。心墻底設(shè)400 mm厚的混凝土基座。

圖3 粘土心墻土石壩標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

2.1.3 瀝青混凝土心墻土石壩

瀝青混凝土心墻土石壩(圖4)采用密實瀝青砼作為防滲體，壩頂寬6.0 m。壩頂高程、最大壩高、壩長等均與粘土心墻相同。心墻頂寬0.4 m，底寬0.6 m，心墻上下游均設(shè)置寬1.5 m的過渡層，心墻底部以砼基座與地基相接，基座順?biāo)鞣较蜷L4.0 m，高2.0 m。壩頂結(jié)構(gòu)、上下游壩坡結(jié)構(gòu)形式均同粘土心墻土石壩方案。

圖4 瀝青砼心墻土石壩標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

2.2 壩型比選

2.2.1 工程地質(zhì)

由前述可知壩址區(qū)均為第四系所覆蓋，河床中的淤泥層、上部軟塑狀的粉質(zhì)粘土的承載力值低、壓縮變形量偏大。河床中部的碎石土或含碎石粘性土、兩壩肩及右壩基殘丘的殘坡積土的物理力學(xué)性質(zhì)較好。

三種壩型對壩基要求均較低，考慮到防滲要求，粘土心墻、粘土斜墻及瀝青砼心墻均坐落在全風(fēng)化層或強風(fēng)化層上，而壩殼部位只需清掉表層的腐植土約2.0 m～5.0 m厚即可，河床段軟弱覆蓋層需進行挖除處理。

2.2.2 筑壩材料

三種壩型均可利用當(dāng)?shù)夭牧现?，瀝青砼心墻土石壩多用于粘土料缺乏的地區(qū)。根據(jù)地勘調(diào)查成果，庫區(qū)料場可用的天然建筑材料數(shù)量及質(zhì)量均滿足設(shè)計對三種壩型方案筑壩材料要求。

2.2.3 工程結(jié)構(gòu)比較

粘土心墻、瀝青砼心墻土石壩的心墻垂直防滲體都能較好的適應(yīng)壩殼的變形，由于心墻位于壩體中間，心墻自重通過本身傳到基礎(chǔ)，受壩殼的影響小，使得心墻與地基接觸面產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，有利于心墻與地基的結(jié)合，而且壩殼的滲透系數(shù)大于心墻的滲透系數(shù)，當(dāng)水庫水位下降時，上游壩殼排水較快，在深厚覆蓋層上建壩，壩殼與心墻沉降較均勻，不會產(chǎn)生水利劈裂，因此運用安全性較高。

粘土斜墻土石壩的浸潤線較低，下游邊坡穩(wěn)定性好，但是斜墻防滲體對適應(yīng)壩殼變形的性能較差，壩殼的局部不均勻沉降，可能引起斜墻產(chǎn)生開裂，運用安全性較心墻壩型差。另一方面，由于本工程壩軸線呈折線形，粘土斜墻墻體產(chǎn)生裂縫后，在水壓作用下，裂縫較心墻壩易于修復(fù)。

2.2.4 工程施工比較

粘土心墻、瀝青砼心墻與壩殼必須同時施工，施工相互干擾大，工期相對較長。粘土心墻受降雨影響較斜墻壩大，瀝青砼心墻施工時要采用專用機械設(shè)備。粘土斜墻與壩殼的上升可以不同步，且斜墻位于上游部位，施工干擾少；受降雨影響較小，壩殼部分在雨季也可以施工，可在壩殼完成后再建土斜墻，利于加快施工進度。

2.2.5 運行管理

粘土斜墻土石壩的防滲體位于上游部位，較心墻壩的心墻易于檢修，心墻檢修條件相對較差，出現(xiàn)滲漏問題不易處理。對于粘土防滲體由于滲流作用存在，一般存在細(xì)微顆粒隨滲透水流運動，滲透性能在一定時間內(nèi)呈現(xiàn)減小趨勢后，呈現(xiàn)逐漸加大的現(xiàn)象，即防滲體老化。

而對于瀝青混凝土心墻，由于石油瀝青材料的優(yōu)越粘結(jié)性能和變形性能，其滲透性能不會出現(xiàn)細(xì)骨料移動、流失。且由于心墻兩側(cè)土體保護，隔絕陽光、空氣，瀝青混凝土表面老化情況也相當(dāng)緩慢，因此建成后，基本上不會存在老化，大大減小了運行管理難度。

2.2.6 與已有工程銜接

粘土斜墻壩在中小型土石壩中應(yīng)用較多，松子坑水庫(一期)中，壩高超過25 m以上的1#壩、10#壩、11#壩等均采用的是當(dāng)?shù)夭牧险惩列眽?，工程運行10多年來，效果較好。粘土心墻壩取材較方便，在工程中應(yīng)用較為廣泛。瀝青砼心墻壩，因心墻防滲及變形性能較好，目前國內(nèi)正處于快速發(fā)展和推廣階段。

2.2.7 樞紐工程布置

三種壩型在具體的布置方面基本相似，都需布置泄洪建筑物及導(dǎo)流設(shè)施，本工程施工采用隧洞進行導(dǎo)流，工程完工后，隧洞的主要功能是泄洪與輸水。

2.2.8 與片區(qū)規(guī)劃協(xié)調(diào)

三種壩型方案，大壩上下游壩坡坡度均相同，壩體外形一致，主要利用當(dāng)?shù)赝亮咸钪桑鶠楫?dāng)?shù)夭牧蠅?，取料場和壩址位置均基本位于?guī)劃的水源保護范圍內(nèi)，與城區(qū)發(fā)展規(guī)劃和周圍景觀規(guī)劃相協(xié)調(diào)。

2.2.9 投資額度

三種壩型的投資量見表1。

表1 費用比較特性表

2.3 壩型確定

三種壩型在對地質(zhì)條件的適應(yīng)、工程布置條件、壩基處理方式等方面基本相當(dāng)，技術(shù)上均可行；在施工條件及檢修方面，心墻壩較斜墻壩方案差；在結(jié)構(gòu)安全性方面，心墻壩較斜墻壩方案優(yōu)；在工程量及投資上比較，粘土斜墻壩投資最小，粘土心強壩較粘土斜墻壩稍大，瀝青砼心墻土石壩方案投資相對較大；同時借鑒已建松子坑水庫(一期)1#壩、10#壩、11#壩等非均質(zhì)均為粘土斜墻壩的壩體形式，且多年來運行情況較好，推薦設(shè)計主壩壩型采用粘土斜墻土石壩。

3 結(jié)語

綜上所述，在水庫改擴建過程中，結(jié)合已有工程特性，合理選擇壩型有利于控制工程建設(shè)成本，降低施工難度，提高新建壩體的適用性，最終獲得較好的經(jīng)濟社會效益。松子坑水庫從工程地質(zhì)、筑壩材料、工程結(jié)構(gòu)、施工運行管理、樞紐布置及與已有工程協(xié)調(diào)性方面進行綜合比選，可推定粘土斜墻土石壩方案可行性、合理性更適合本工程。