平原圍壩水庫庫盆開挖型式分析比較研究

孫志鋒，顧嵋杰

（1.新疆自治區(qū)阿克蘇地區(qū)溫宿縣水利局,新疆 溫宿 453000； 2.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 引言

近些年來,在西北地區(qū)由于適合建設(shè)攔河水庫條件的地方越來越少,而水資源短缺與時(shí)空分布不均依然存在,因此當(dāng)?shù)氐乃Y源規(guī)劃越來越重視平原水庫的調(diào)蓄作用[1-4]。在此背景下,新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣臺(tái)蘭河洼地水庫作為平原調(diào)蓄工程被列入《新疆“十三五”水利改革發(fā)展規(guī)劃》中,同時(shí)也進(jìn)入到全國大中型水庫規(guī)劃序列中,是自治區(qū)列入的25座大中型水庫之一[5-6],旨在解決當(dāng)?shù)厮Y源分布不均的問題。

平原水庫相較于傳統(tǒng)的攔河水庫相比,無天然蓄水庫容,兩岸亦無可利用的擋水山體,需要下挖庫盆,三面或者四面圍壩擋水,因此具有壩線長(zhǎng),壩高低,蓄水面積大的特點(diǎn)。

1 工程概況

洼地水庫位于阿克蘇地區(qū)溫宿縣臺(tái)蘭河流域中上游,是一座以灌溉、工業(yè)供水為主,兼顧向臺(tái)蘭河地下水庫補(bǔ)水的綜合性水利工程,也是目前新疆最大的引水注入式四面圍壩平原水庫工程。水庫總庫容5582 萬m3,Ⅲ等中型工程。工程修建于臺(tái)蘭河出山口山前傾斜戈壁灘平原之上,采用四面堆填圍壩而成,最大壩高28.72 m。水庫采用全庫盆鋪塑防滲,防滲體選用復(fù)合土工膜（400 g/0.8 mm/400 g）,設(shè)計(jì)死水位1500.60 m,正常蓄水位1518.00 m,校核水位1518.20 m,正常蓄水位對(duì)應(yīng)水面面積260 萬m2[7]。

水庫南側(cè)大壩高度較大且集中,在此段大壩外側(cè)設(shè)置堆渣平臺(tái),用于堆放水庫開挖多余棄料,同時(shí)也可作為壩體壓重平臺(tái),保證壩體結(jié)構(gòu)安全。平臺(tái)寬度150 m~200 m之間,平均高度20 m。

圖1 水庫平面布置圖

2 庫盆開挖方案

由于水庫修建于山前傾斜平原之上,無可利用天然湖泊、洼地等天然蓄水庫容,需要對(duì)現(xiàn)狀灘地進(jìn)行下挖上填,通過下挖灘地,利用開挖料在水庫四周堆填圍壩,形成一個(gè)閉合的圍壩蓄水水庫。不同庫盆開挖型式對(duì)水庫壩高、工程量、土方調(diào)配運(yùn)距、土石方平衡以及工程投資影響重大,甚至?xí)绊憠胃咭?guī)模,因此,選擇合理的庫盆開挖型式是平原水庫庫盆設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。

在同等庫容條件下,分別從最大壩高、最低壩高及推薦壩高方面考慮,借助Civil3 D軟件不斷反復(fù)試算設(shè)計(jì)庫底型式、高程,最終擬定3 種方案。各方案庫底均位于開挖基礎(chǔ)上,無回填區(qū)域。

方案一（圖2）：結(jié)合現(xiàn)狀地形,庫底為水平段（300 m）-斜坡段（550 m）-水平段型式。起始水平段長(zhǎng)度300 m,控制水平開挖底高程1500.0 m。斜坡段長(zhǎng)度550 m,起點(diǎn)開挖底高程1500.0 m,終點(diǎn)高程1490.80 m,斜坡段坡比1∶67.1；末端水平段控制底高程1490.80 m,終點(diǎn)接下游壩體內(nèi)坡腳線,最大長(zhǎng)度405 m。

圖2 方案一庫盆開挖型式（橫向1:1000/縱向1:100）

方案二（圖3）：庫底為水平型式。庫盆為水平庫底,控制水平開挖底高程1490.80 m,防滲體土工膜高程1491.00 m,同建基面高程。

圖3 方案二庫盆開挖型式

方案三（圖4）：庫底為水平段（300 m）-斜坡段（350 m）-水平段型式。起始水平段長(zhǎng)度300 m,控制水平開挖底高程1495.80 m。斜坡段長(zhǎng)度350 m,起點(diǎn)開挖底高程1495.80 m,終點(diǎn)高程1490.80 m,斜坡段坡比1∶70；末端水平段控制底高程1490.80 m,終點(diǎn)接下游壩體內(nèi)坡腳線,最大長(zhǎng)度553 m。

圖4 方案三 庫盆開挖型式

3 庫盆方案比較

3.1 壩高

方案一庫盆下挖土方量最小,主要靠圍壩蓄水庫容,因此壩高最大,經(jīng)分析最大壩高31.67 m。方案二采用水平庫底開挖型式,并且建基面同防滲體高程,下挖庫容大,所需堆壩庫容最小,因此壩高最低,此方案最大壩高26.36 m。方案三介于方案一和方案二之間,最大壩高28.72 m。

3.2 土方工程量及投資

方案一在設(shè)計(jì)過程中遵循以開挖量定壩高的原則,因此基本可實(shí)現(xiàn)土方平衡,土方開挖量1152.89 萬m3,填筑量978.00萬m3,投資3.59 億元。

方案二遵循最小壩高的原則,因此土方開挖量最大,棄方最多。土方開挖量2310.13 萬m3,填筑量611.49 萬m3,投資4.78 億元,較方案一高出1.19 億元。

方案三在前2 個(gè)方案的基礎(chǔ)上,對(duì)庫盆開挖型式進(jìn)行優(yōu)化,通過調(diào)整庫盆型式,確保壩高不超過中壩（30 m）高度,同時(shí)兼顧土石方平衡,投資省的原則。最終方開挖量1789.8 萬m3,填筑量757.93 萬m3,投資4.21 億元,較方案二節(jié)省0.57 億元。

3.3 土方調(diào)配

不同庫底開挖型式將導(dǎo)致開挖土方量空間分布不均,根據(jù)壩體所利用回填料數(shù)量、堆渣平臺(tái)位置及調(diào)配方向,庫底開挖應(yīng)滿足“高料高用、低料低用、運(yùn)距最短、成本最低”原則。水庫下游段（南側(cè)）壩高最大,所需的填方料最多,且渣場(chǎng)設(shè)在壩體外側(cè)。

方案一、方案三庫底型式采用水平、斜坡、水平的臺(tái)階開挖型式,結(jié)合地形變化,做到上游少挖,下游多挖目的。從而使得開挖料利用料、棄方料綜合距離下游側(cè)最近,綜合運(yùn)距最短,成本最低。

方案二采用水平庫底,導(dǎo)致大部分土方量集中在水庫北側(cè)（上游）段,而上游段壩高低,所需填方料少,主要開挖料將運(yùn)輸至下游壩體及渣場(chǎng),綜合運(yùn)距長(zhǎng),成本高。

3.4 庫底附加應(yīng)力

庫底上下游開挖深度相差不宜過大,避免由于庫底開挖卸荷深度不同而造成基底附加應(yīng)力相差較大,防止后期水庫蓄水后庫底發(fā)生不均勻沉降變形。

方案一上下游最大挖深差7.10 m,方案二最大挖深差18.10 m,方案三最大挖深差12.10 m。方案二上下游挖深差最大,庫盆基地附加應(yīng)力差也最大,其次是方案三。

各庫盆方案綜合對(duì)比見表1。

表1 各庫盆方案綜合對(duì)比表

4 庫盆型式確定

洼地水庫采用全庫盆鋪塑防滲,防滲材料選用復(fù)合土工膜。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）規(guī)定,土工膜防滲體壩仍處于發(fā)展階段,還未形成成熟的設(shè)計(jì)施工技術(shù)體系,規(guī)定用于3 級(jí)低壩以下規(guī)模[8]。方案一壩高超過30 m,屬于中壩,因此從土工膜適用條件考慮,不適合土工膜防滲體水庫設(shè)計(jì)。方案二壩高最低,但土方量量、工程投資、土方調(diào)配運(yùn)距最大,經(jīng)濟(jì)不合理,且蓄水后庫盆基底附加應(yīng)力差也最大,容易引起庫底不均勻沉降。方案三綜合方案一、方案二的特點(diǎn),庫底遵循現(xiàn)狀地形走勢(shì)布置,上下游挖填深度合理,壩高符合土工膜防滲體低壩要求,經(jīng)濟(jì)合理,技術(shù)可行,因此庫盆設(shè)計(jì)最終選用方案三。

圖5 庫盆效果圖

5 結(jié)語

1）庫盆開挖方案的確定應(yīng)因地制宜,結(jié)合現(xiàn)狀地面走勢(shì)布置,對(duì)于傾斜地形不宜做成水平庫底,避免由于庫底開挖卸荷深度不同而造成基底附加應(yīng)力相差較大,防止后期水庫蓄水后庫底發(fā)生不均勻沉降變形。

2）庫盆型式的確定是平原水庫設(shè)計(jì)的重點(diǎn),它對(duì)圍壩壩高、工程投資有著至關(guān)重要的影響,因此在水庫設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行多方案論證比選,最終確定經(jīng)濟(jì)合理,技術(shù)可行的方案,可為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。