天星水庫壩址比選分析

劉 偉

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

擬建天星水庫位于重慶市萬盛經(jīng)開區(qū)境內(nèi)清溪河左岸支流大埡槽上，是一座以城市生活和工業(yè)供水為主的綜合利用水利工程?？値烊?118萬m3，工程等別Ⅲ等、工程規(guī)模中型。正常蓄水位376.8 m，興利庫容962萬m3，多年平均供水量為967萬m3。

天星水庫由樞紐工程和供水工程兩部分組成。樞紐工程主要建筑物包括瀝青混凝土心墻壩、右岸溢洪道、右岸取水系統(tǒng)。瀝青混凝土心墻壩最大壩高55.0 m，壩頂寬度8.0 m，壩頂長224.50 m。溢洪道緊靠右壩肩布置。取水系統(tǒng)亦位于右岸，與導(dǎo)流洞結(jié)合，進口設(shè)分層取水塔，取水管道經(jīng)導(dǎo)流洞敷設(shè)至大壩下游分水控制閥室。供水工程始于壩后，供水管道長1.6 km。

2 壩址區(qū)選擇及壩址初選

2.1 壩址區(qū)選擇

根據(jù)涉及天星水庫的相關(guān)規(guī)劃成果，以及天星水庫前期設(shè)計成果，已確定天星水庫建設(shè)地點為大埡槽河溝內(nèi)。大埡槽河道全長約9.0 km，根據(jù)支流匯入及地形情況，可將大埡槽自上而下分為上游、中游、下游三段。其中，上游為羅家灣至鐵爐溝段，河道長約4.5 km；中游為鐵爐溝至響水洞段，河道長約2.8 km；下游為響水洞至入清溪河匯合口段，河道長約1.7 km。

根據(jù)本項目供需平衡分析，擬建天星水庫需滿足年供水900萬m3以上，則天然徑流來水量至少應(yīng)在1200萬m3以上。因此，可研設(shè)計階段從河道徑流量、地形地質(zhì)條件等方面分別分析上、中、下游三段的筑壩成庫條件，見圖1、表1。

圖1 大埡槽河段示意圖

表1 大埡槽河段分析描述特性表

經(jīng)綜合分析，大埡槽河段適宜修建天星水庫樞紐的壩址區(qū)為大埡槽下游響水洞至入清溪河匯合口長度約1.7 km河段。

2.2 壩址初選

經(jīng)現(xiàn)場踏勘，在大埡槽河天星村后溝溝口至清溪河匯合口的1.7 km河段上進行壩址選擇。綜合考慮該河段地形地質(zhì)條件，在此河段初選四處壩址，自上而下編號為第1#～4#壩址，相鄰壩線間距約400 m。初選壩址位置示意見圖2[1]。匯總初選四處壩址來水量、地質(zhì)條件、庫容條件、樞紐布置條件及征地移民特征見表2。

圖2 天星水庫壩址位置示意圖

四處壩址來水量、征地移民差別較小，地質(zhì)條件及樞紐布置條件為壩址選擇的最主要因素。在選壩初期，四處壩址均布置鉆孔，經(jīng)初步地質(zhì)勘察、方案布置后得出：雖然1#壩址左岸存在巖質(zhì)滑坡體、3#壩址右岸強風(fēng)化深度大，但從工程地質(zhì)條件及工程布置等方面綜合研判，仍是1#壩址和3#壩址相當(dāng)較優(yōu)，因此，確定響水洞、緣天崗處2處壩址作為可研階段的比選壩址，命名為上壩址、下壩址，兩壩址相距約0.9 km。

3 壩址比選

工程區(qū)土料匱乏，不適宜修建均質(zhì)土壩；壩基頁巖為較軟巖，單軸飽和抗壓強度較低，布置混凝土面板壩壩址區(qū)無可上壩堆石料源，堆石料需外運。因此，壩址區(qū)較適宜修建瀝青心墻壩，結(jié)合壩址區(qū)頁巖石渣料源豐富的特點，現(xiàn)階段選取瀝青混凝土心墻壩作為壩址比選的代表壩型。

3.1 上壩址條件及工程布置

(1)地形地質(zhì)條件

大埡槽河道以NW350°向進入上壩址，河道基本順直，谷底50 m～60 m，現(xiàn)代河床寬10 m～15 m，平水期水面寬度4 m～8 m，水深0.2 m～0.5 m。左岸坡整體為一處巖質(zhì)滑坡，坡體植被茂密，局部發(fā)育小沖溝，自然邊坡30°～55°，坡面下陡上緩，坡腳現(xiàn)為公路；河床為第四系全新統(tǒng)沖洪積砂卵J礫石，厚2 m～4 m，右側(cè)為人工堆積臺地，寬20 m～30 m；右岸天然邊坡坡度25°～40°，多為殘坡積物覆蓋，層厚4 m～18 m不等，下為下統(tǒng)石牛欄組(S1s)灰黑色、灰綠色頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r。壩址巖層走向與大埡槽河流向小角度相交，縱向谷。

壩址區(qū)基巖多為志留系下統(tǒng)石牛欄組(S1s)灰黑色頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，大埡槽河床為半邊山背斜核部，左岸巖層產(chǎn)狀NE0～10°NW∠70°～80°，右岸巖層產(chǎn)狀NE0～10°SE∠70°～85°；巖層走向與大埡槽河流向夾角10°～20°。頁巖為較軟巖，頁理發(fā)育，極易風(fēng)化，遇水易軟化崩解，干濕效應(yīng)明顯，壩肩裸露頁巖多發(fā)生傾倒變形[2]。

(2)樞紐工程布置

樞紐工程主要包括擋水大壩、溢洪道、取水系統(tǒng)等。擋水大壩采用碾壓式瀝青混凝土心墻壩。根據(jù)建筑物功能、地形地質(zhì)條件、施工條件等，溢洪道布置于樞紐右岸，取水塔與導(dǎo)流洞結(jié)合布置于樞紐右岸。由于本工程開挖量大，而工程區(qū)以外棄渣場選擇困難，土石壩方案考慮在壩體下游堆棄一部分棄渣。上壩址碾壓式瀝青心墻壩方案工程總平面布置見圖3。

圖3 上壩址瀝青混凝土心墻壩平面布置圖

上壩址擋水大壩為瀝青混凝土心墻壩，正常蓄水位376.8 m，設(shè)計洪水位377.0 m，校核洪水位378.3 m，總庫容1118萬m3。瀝青砼心墻壩壩頂高程378.5 m，壩頂上游側(cè)設(shè)置防浪墻，防浪墻頂高程379.7 m。瀝青砼心墻壩底部最低高程為323.5 m，最大壩高55.0 m，壩頂寬度8 m，壩頂長224.50 m。大壩上游壩坡坡比為1∶2.5，上游壩坡采用C20混凝土預(yù)制塊護坡，護坡厚0.2 m，護坡下設(shè)0.5 m厚(兩層)砂礫石墊層。上游壩坡在高程343.2 m處設(shè)置馬道，馬道以下為上游圍堰，圍堰作為上游壩坡一部分。大壩下游壩坡為1∶2，壩后堆渣，渣頂高程低于壩頂高程2.0 m，渣頂寬度40 m，渣體下游坡面采用0.5 m厚C25砼框格梁護坡，渣體馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置砼排水溝；下游壩坡高程335.0 m以下為灰?guī)r塊石排水棱體。

3.2 下壩址條件及工程布置

(1)地形地質(zhì)條件

下壩址位于緣天崗附近。河谷兩岸岸坡為斜坡～陡坡，左岸自然邊坡坡度25°～40°，右岸自然邊坡坡度30°～45°，呈不對稱“V”型谷，左高右低，左壩肩坡頂高程550 m，右壩肩坡頂高程480 m。河谷相對開闊，河道基本順直，平均縱坡約1.3%，谷底60 m～90 m，現(xiàn)代河床寬10 m～25 m，河床高程320 m左右，河流流向NW350°。壩址區(qū)河谷階地不發(fā)育，河床兩岸發(fā)育河漫灘，寬15 m～30 m。左岸沖溝發(fā)育，右岸沖溝不發(fā)育。

壩址區(qū)基巖多為志留系中統(tǒng)韓家店組(S2h)灰綠色頁巖局部夾雜色泥質(zhì)粉砂巖，左岸巖層產(chǎn)狀NE0～10°NW∠75°～85°，右岸巖層產(chǎn)狀NE5～10°SE∠75°～82°；巖層走向與大埡槽河流向夾角5°～10°。頁巖為較軟巖，頁理發(fā)育，易風(fēng)化，干濕效應(yīng)明顯，遇水易軟化崩解，壩肩頁巖裸露處多發(fā)生傾倒變形。其中，大埡槽河左岸山體頁巖局部夾泥質(zhì)粉砂巖，泥質(zhì)粉砂巖雜色，呈條帶狀分布，出露于左壩肩山體坡腳附近，向兩側(cè)近南北向延伸[2]。

(2)樞紐工程布置

樞紐工程主要包括擋水大壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水洞等。擋水大壩采用碾壓式瀝青混凝土心墻壩。根據(jù)地形地質(zhì)條件、建筑物功能、施工條件等，溢洪道布置于樞紐左岸，取水塔與導(dǎo)流洞結(jié)合布置于樞紐右岸。上壩址碾壓式瀝青心墻壩方案工程總平面布置見圖4。

圖4 下壩址瀝青混凝土心墻壩平面布置圖

下壩址瀝青混凝土心墻壩軸線總長271.0 m，正常蓄水位為369.0 m，設(shè)計洪水位為369.4 m，校核洪水位為370.8 m，總庫容1121.0萬m3。計算確定瀝青砼心墻壩壩頂高程371.0 m，壩頂上游測設(shè)置防浪墻，防浪墻頂高程372.2 m，壩頂下游側(cè)設(shè)置有C25砼電纜溝。瀝青砼心墻壩底部最低高程為311.5 m，最大壩高59.5 m，壩頂寬度8.0 m。大壩上游壩坡坡比1∶2.5，在高程328.0 m處設(shè)置6.0 m寬馬道和C20砼鎮(zhèn)腳，上游壩坡(328.0 m以上)依次鋪設(shè)0.3 m厚的砂礫石墊層厚、0.2 m厚的C25預(yù)制砼塊護坡，壩坡與兩岸連接處設(shè)置C20砼基座。大壩下游壩坡為1∶2.0，323.0 m高程下部為砂巖塊石排水棱體，排水體頂寬3.0 m，內(nèi)坡坡比1∶1.5，外坡坡比1∶2。下游壩坡結(jié)合壩后上壩公路布置，采用Z字型布置。下游壩坡355.21 m高程以上、棄渣外側(cè)邊坡均采用C25砼框格植草護坡。

3.3 壩址比選

可研階段從地形地質(zhì)條件、工程布置及樞紐投資、施工條件、建筑材料、庫岸邊坡處理、棄渣處理、庫區(qū)淹沒及工程占地、供水工程、工程總投資方面對上、下壩址進行技術(shù)經(jīng)濟綜合比選，主要結(jié)論見表3。

表3 上下壩址比較結(jié)論表

經(jīng)綜合比較，上壩址在徹底處理了左岸滑坡后，在滿足工程布置的情況下，壩軸線比下壩址短，需處理的地質(zhì)問題比下壩址少，投資比下壩址省?？裳须A段推薦上壩址。

4 結(jié)語

天星水庫可研報告于2020年5月通過重慶市水利局技術(shù)審查。本水庫建設(shè)條件與隴東、河西地區(qū)有較大區(qū)別，工程區(qū)植被茂密、降雨量大、巖溶發(fā)育、庫區(qū)移民多，部分設(shè)計習(xí)慣也有一定特點。結(jié)合本工程設(shè)計過程的經(jīng)驗與體會，本文認為有以下幾點可供類似項目設(shè)計參考：

(1)項目設(shè)計時，需充分收集資料與調(diào)研，了解項目建設(shè)的基礎(chǔ)條件，掌握項目審批的相關(guān)流程等，做到有的放矢地開展設(shè)計。

(2)水庫工程壩址比選時，應(yīng)收集整理已有規(guī)劃成果，在符合流域、區(qū)域水利相關(guān)規(guī)劃的同時，不能拘泥于項目前期設(shè)計成果。壩址選擇宜從已確定的開發(fā)河流上，從適宜河段、壩址區(qū)再到壩址，由遠及近的逐漸分析選擇。

(3)目前，水庫工程建設(shè)條件越來越差，本工程庫區(qū)、壩址區(qū)存在滑坡，庫區(qū)淹沒移民多，面對不利筑壩條件時，應(yīng)進行充分的地質(zhì)勘察、工程布置、計算分析等，多維度比選，盡可能做到在相當(dāng)條件中選出相對優(yōu)的壩址。