水庫壩軸線及壩型選擇研究
——以石洞水庫工程為例

姚小星

(峽江縣河庫建設養(yǎng)護中心， 江西 吉安 331409)

我國盡管水資源豐富，但對水資源的需求也同樣很大，是世界上貧水國家之一，因此長期以來我國通過水庫大壩建設來提高水資源的利用率，對水資源進行優(yōu)化配置，加強對水資源的開發(fā)與利用。水庫建設是我國在利用與配置水資源規(guī)劃中的重要建設內(nèi)容，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在于壩軸線和壩型的選擇，這也是影響后續(xù)施工和投資的關(guān)鍵因素，因此需要在工程規(guī)劃時進行科學的壩軸線比選和壩型確定。

1 工程概況

1.1 工程概述

石洞水庫位于江西省峽江縣羅田鎮(zhèn)石洞村，壩址坐落在羅田鎮(zhèn)以西約7 km的黃金江支流，是一座主要用于灌溉的中型水庫，建成后能夠滿足流域下游共計2286 hm2農(nóng)田灌溉需求，總控制流域面積達到34.7 km2，總庫容為1165萬m3。

1.2 地質(zhì)條件

工程建設區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造系相對較為穩(wěn)定，工程區(qū)的地震動峰值加速度為0.05 g，擁有較好的區(qū)域穩(wěn)定性，庫區(qū)所處地形為低山丘陵及河谷，多見陡峭岸坡和裸露的基巖。但水庫周圍有高且雄厚的分水嶺，沒有通向庫外的明顯斷層，水庫建成后沒有永久性滲漏問題。壩區(qū)地層無較大斷層分布，兩岸岸坡較穩(wěn)定，巖石左右岸都受到風化作用的強烈影響。

1.3 水文條件

石洞水庫的壩址位于黃金江石溪水支流，流域面積56.5 km2，河長22 km，流域內(nèi)多年平均降水量約在1578 mm，多年平均氣溫18 ℃，平均蒸發(fā)量1050 mm，平均相對濕度82%，年平均水溫20 ℃。按照水庫使用50 a期計算，此處壩址的淤積量相應庫容約為15.9萬m3。以鄰近的神山水文站為參照，可計算出壩址多年平均徑流速為1.015 m3/s，多年平均徑流量為3203萬m3。

2 壩軸線比選

2.1 上、下壩線工程地質(zhì)條件比較

研究本工程上下壩線所處地質(zhì)條件時選用下壩址(丁家村壩址)的開發(fā)方案，壩址適宜建造的水壩類型為土石壩或堆石壩，左岸可供壩線選擇的范圍約為240 cm，右岸僅有50～70 cm。將上、下兩處壩線的工程各項地質(zhì)條件進行對比后得出見表1。

表1 上、下壩線工程地質(zhì)條件比較情況

根據(jù)表1 內(nèi)容可以算出，上、下兩壩線沿河相距約為280 m，壩頂高程132 m，左岸壩端相距165 m，右岸31 m。在工程實地考察中，河流的上壩線主要位于左岸，下壩線主要位于右岸，就兩岸的地形來看，右岸的上壩線地勢更緩和，左岸的上壩線相對陡峭。在河谷區(qū)域，上壩線寬為138～211 m,下壩線寬約80～140 m。根據(jù)地形地質(zhì)條件來看，下壩線優(yōu)勢更大。

2.2 壩軸線比選主要工程地質(zhì)問題與評價

在分析上、下壩線的地質(zhì)地形條件后，發(fā)現(xiàn)此處壩體壩型較長，最適宜修建的水壩類型為土石壩。本工程壩體較高，將強風化帶的中下部用作建基面使用，心墻部分的壩基不僅要清除透水能力中等的第四系覆蓋層，還要清除中上部的強風化帶巖體，從而提高壩基的建設質(zhì)量。

2.3 上壩線工程布置方案

石洞水庫上壩線的蓄水位需要建設到130.2 m才能滿足水庫的灌溉用水需要，適應當?shù)氐匦螚l件，其樞紐建筑物主要由黏土心墻土石壩、溢洪道、引水建筑物和渠首建筑物組成。上壩線的工程總布置中，壩軸線長約405.5 m，壩頂高程約133.2 m，防浪墻頂高程約為134.4 m，最大壩高為49.2 m。

溢洪道進口位于距右壩肩上游約145 m的埡口處并順沖溝展布，溢流凈寬35 m，為無閘控制實用堰，堰頂高程129.0 m，總長344.9 m；引水建筑物布置于右岸山體中，明渠進水口位于大壩上游260 m處山坳，隧洞進口位于右壩肩上游約105 m處的山坡處，出口位于下游山坡腳接灌溉渠首水池，全長363 m，其中隧洞段長194.7 m，為圓形有壓隧洞，洞徑1.8 m。

2.4 下壩線工程布置方案

下壩線主要位于水壩右岸，正常蓄水位建設至129 m即可滿足灌溉需求，其樞紐建筑物主要由黏土心墻土石壩、溢洪道、引水建筑物和渠首建筑物組成?？偛贾玫膲屋S線長395.0 m，壩頂高程為132.0 m，防浪墻頂高程約為133.2 m，最大壩高為51.4 m。其余工程布置內(nèi)容如溢洪道進口、明渠進水口等，包括引水建筑物布置等皆與上壩線一致。

2.5 壩線比較與選擇

通過對上、下壩線的工程布置方案進行分析后發(fā)現(xiàn)，除大壩本體外其余建筑物和工程項目的布置基本相同，因此僅對大壩的投資做比較，判斷其資金投入，具體項目有土方與石方的開挖施工、石碴混合料的開挖、砂礫石過濾、心墻填筑、混凝土施工等，上壩線總工程直接費7419.21萬元，下壩線總工程直接費5851.66萬元，而壩線直接費差值為1567.55萬元。

在地形地質(zhì)方面，兩壩線的地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造基本一致，均具備建庫條件，但從地形角度來看下壩線的走勢優(yōu)于上壩線，受到的風化影響弱于上壩線。從水庫規(guī)模來看，若要上壩線滿足灌溉需求則要將正常蓄水位提高至130.2 m，此時淹沒線也會一并升高，淹沒范圍擴大，工程建設難度將會直線上升，下壩線則沒有這一問題。就表2對比結(jié)果顯示，下壩線的投資明顯少于上壩線。因此綜合比較過后，上壩線最大壩高較下壩線小，但壩軸線長、最大壩高壩段長，下壩線最大壩高較高，但壩軸線短，最大壩高壩段短，工程投資總體下壩線較上壩線小，且下壩線淹沒范圍控制在峽江縣境內(nèi)，而上壩線涉及吉水縣新陂村。故本次推薦下壩線為工程建設壩線[1]。

3 壩型比選

3.1 壩型設計

壩址位于峽谷出口下游，河流流向呈 NW-SE-NEE 向，近似傾斜“L” 形，河谷呈不對稱的梯形，壩軸線上、下游附近兩岸均為較開闊的灘地。根據(jù)壩址區(qū)地形條件，選擇混凝土面板堆石壩和黏土心墻壩兩種壩型進行比較，實地建設形態(tài)的比較如表2所示。

表2 兩種壩型設計比較情況

混凝土面板堆石壩趾板建基面為弱風化層上部，利用趾板作壓漿板，對其下基巖進行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿處理，對張開節(jié)理裂隙應逐條開挖清理，并用C20混凝土封堵。趾板下游0.5倍壩高范圍內(nèi)坐落在全風化基巖中下部，其余壩基坐落在全風化基巖上。趾板基礎固結(jié)灌漿3排，深5 m；帷幕灌漿1排，結(jié)合中間排固結(jié)灌漿孔實施，孔距2.0 m，深入相對不透水層5.0 m。

黏土心墻壩的黏土心墻和過渡反濾層開挖至強風化層中、下部。其余壩基部分建基面清除表部0.6～1.2 m的根植土層。心墻底部設壓漿板對壩基進行帷幕灌漿，單排孔，孔距2.0 m，深入相對不透水層5.0 m。

3.2 壩型比較與選擇

混凝土面板堆石壩和黏土心墻壩都是已經(jīng)在許多工程中有成功應用的壩型，在我國的水庫工程建設也已經(jīng)較為成熟，設計理念和施工手段都已經(jīng)相對完善，因此二者之間的施工難度和設計復雜性差異性問題暫時忽略不計，且兩種壩型的溢洪和引水建筑物設置基本一致，因此從以下幾個方面來比較兩種壩型在石洞水庫中的適用性[2]。

在地形地質(zhì)條件方面，壩址中的河谷橫切面也不對稱的梯形，若選用堆石壩則要求上游趾板處地形基本對稱，因此河谷地形對兩種壩型都不造成實際影響。

在建筑材料方面，心墻壩使用的防滲土料需要由料場開采獲取，上、下游壩體的填筑料可以利用樞紐建筑物施工中產(chǎn)生的開挖料。同時壩址附近有大量自然形成的風化碴料可以使用，壩體總土石方利用量超過40萬m3。若選擇堆石壩，樞紐建筑物的開挖料則不能用作填筑料，附近的風化巖碴料的成材率過低，對工程沒有實際意義，總利用堆石料約9000 m3，且其中大量筑壩材料需要從料場開采運輸。從建筑材料角度來看心墻壩的施工條件優(yōu)于堆石壩[3]。

從工程建設條件來看，心墻壩中開挖的材料可以直接用作壩體填筑，且壩體斷面小，整體工程量小于堆石壩。但就施工度汛條件來看，面板壩方案和心墻壩方案的施工總工期同為兩年，壩體均需在第二年汛前搶筑至度汛高程。心墻壩汛期不允許壩體過流，而面板壩在進行保護后，可以允許汛期從壩體過流，若施工工期滯后或遭遇超標準從工程投資角度來看，洪水對面板壩的影響較小。因此若考慮到施工度汛的風險性則面板壩較優(yōu)[4]。

心墻壩的實際建設工程項目與面板壩有較大差異，若從壩體填筑工程量來看則心墻壩工程量更大，但土石方開挖、混凝土、鋼筋、固結(jié)灌漿和帷幕灌漿工程量都少于面板堆石壩。二者的工程項目、具體工程量、工程投資金額差異見表3。由表3可知，兩種地形投資相差2120.11萬元。

綜合壩址地形地質(zhì)、工程建設條件、天然材料源、工程量與工程投資成本來看，本階段確定黏土心墻壩為基本壩型。

3.3 壩基處理

壩基河床部位和河谷上部有3～5 m低液限黏土和砂卵石夾孤石覆蓋層，其下為深厚的強風化石英片巖夾石英巖。黏土心墻和過渡反濾層開挖至強風化層中、下部，上、下游邊坡1∶1.5。其余壩基部分建基面清除表部0.6～1.2 m的根植土層。壩基層面裂隙等較發(fā)育。心墻部位開挖后的基巖面用風水槍沖洗干凈，對張開節(jié)理裂隙應逐條開挖清理，并用C20混凝土封堵，基巖表面現(xiàn)澆0.30 m厚混凝土。黏土心墻底部設混凝土壓漿板對下部巖體進行帷幕灌漿防滲。壓漿板寬5.0 m，厚1.0 m。帷幕防滲標準按基巖透水率q≤10 Lu控制，帷幕底線深入相對不透水巖體頂板以下不小于5.0 m，兩岸至水庫正常蓄水位與相對不透水層在兩岸的相交處。

表3 大壩主要相異項目工程量和工程投資比較情況

3.4 護坡設計與選擇

混凝土預制板護坡采用六角形板，邊長0.3 cm，護坡厚度t計算公式(1)為：

(1)

式中：η為系數(shù)，取1.0，對裝配式護面板取1.1；hp為累積頻率為1%的波高，m；Lm為平均波長，m；b為沿坡向板長，取3.6 m；ρw為水的密度，取1.0 t/m3；ρc為板的密度，取2.4 t/m3；m為坡度系數(shù)，取2.5。 經(jīng)計算t=0.117 m。

干砌塊石護坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和質(zhì)量、平均粒徑、平均質(zhì)量和厚度按下式(2)確定：

Q=0.85Q50=0.525ρkD3

(2)

式中：D為石塊的換算球形直徑，m；D50為石塊的平均粒徑，m；Kt為隨坡率變化的系數(shù)；ρk為塊石密度，取2.4 t/m3;hp為累積頻率為5%的波高，m；Q為石塊的質(zhì)量，t；Q50為石塊的平均質(zhì)量，t。 其余符號意義同上，經(jīng)計算t=0.26 m。

考慮施工要求，干砌塊石護坡厚度需取0.35 m。

從單價方面來看，混凝土預制板護坡單價高于干砌塊石護坡，但混凝土預制板護坡的施工質(zhì)量易于控制，工程難度低，綜合成本低，因此本工程推薦混凝土預制板護坡方案，板厚0.12 m，下設砂石墊層厚0.15 m。

4 結(jié) 語

以石洞水壩為例，通過對其上下壩線的工程地質(zhì)條件進行比較分析綜合判斷出水庫壩軸線選擇的結(jié)果，壩軸線的選擇應當充分考慮到工程建設的地質(zhì)條件和建設所需資金等因素；在進行水庫壩型選擇時也需要對多方因素綜合判斷后再確定，石洞水庫的壩型選擇的是黏土心墻壩，具有節(jié)省施工成本的優(yōu)勢，在進行壩基處理后還應當根據(jù)工程的實際需求進行護坡的設計與測算，從而綜合提高施工質(zhì)量。