水利工程中大壩壩址的比選

金向丹

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

0 引言

水利水電工程中常見大壩壩型主要為土石壩、堆石壩、重力壩、拱壩等。土石壩由于對地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、材料簡單易取、筑壩施工高效，在20世紀(jì)五、六十年代為最常見壩型。重力壩能適應(yīng)高水頭、布置緊湊占地少、施工方便且在國家提出綠水青山就是金山銀山的政策理念下，需要開采土料筑壩的土石壩失去其優(yōu)勢，故新建水源工程中往往推薦采用重力壩。

壩址位置的正確選擇，能在工程安全、施工便利、節(jié)省投資、民生及社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益上帶來可觀的回報。因此，什么樣的壩址適宜建設(shè)什么樣的壩型，需通根據(jù)工程樞紐附近的地形地質(zhì)條件，水流河勢條件和建筑材料、施工條件、樞紐布置、管理運(yùn)行等方面綜合研究決定。本文通過廣西區(qū)內(nèi)常見的壩型來簡單論述壩址選擇。

1 壩址選擇原則

除現(xiàn)行法律法規(guī)、設(shè)計(jì)規(guī)范條文規(guī)定外，壩址的選擇及選線還應(yīng)遵循以下幾條基本原則：

（1）地形條件。壩址一般選在狹窄河谷處，壩軸線短，壩體工程量小；并且壩址上游應(yīng)有一定河谷開闊地帶以獲取足夠的庫容。

（2）地質(zhì)條件。應(yīng)選擇地質(zhì)條件良好地段，壩址處的岸坡要穩(wěn)定，以減少壩基及岸坡處理的工程量。

（3）河勢條件。壩軸線應(yīng)盡量與河流流向正交，以利于布置泄洪建筑物保證下泄洪水流順暢；當(dāng)必須與河流斜交時，交角不宜過小，否則既增加了壩體工程量，又會使泄洪水流不順。

（4）建筑材料。壩址附近應(yīng)有足夠符合要求的建筑材料。

（5）施工條件。壩址附近應(yīng)有適宜的地形布置施工場地；距離交通干線近便于交通運(yùn)輸。

（6）水庫淹沒。合理選擇壩址，盡量減少庫區(qū)村屯、耕地的淹沒，減少征地移民難度，維護(hù)社會穩(wěn)定。

2 水庫擴(kuò)容工程

廣西東南部某水庫現(xiàn)狀承擔(dān)上萬畝農(nóng)田灌溉及兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的供水任務(wù)，由于未來15年的水資源配置規(guī)劃，將擴(kuò)大該水庫的供水能力，因此，需對該水庫進(jìn)行擴(kuò)容。

由于該水庫還為現(xiàn)狀供水范圍提供生產(chǎn)生活用水，故在擴(kuò)容建設(shè)期間還應(yīng)保持持續(xù)供水，除上述的選址原則外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）為了減少工程用地以及大壩工程量，應(yīng)盡量利用現(xiàn)有的壩址，充分利用現(xiàn)有庫區(qū)以及現(xiàn)有建筑物進(jìn)行加高擴(kuò)建。

（2）在實(shí)施擴(kuò)容施工期間仍需保證現(xiàn)狀供水的不中斷，因此在選取壩址時應(yīng)考慮保證供水的方案，且所選壩址應(yīng)盡可能滿足重力流供水，以降低供水成本。

2.1 壩址選擇分析

2.1.1 現(xiàn)狀水庫上游河段

在水庫上游河段選擇壩址宜選擇在現(xiàn)狀水庫庫尾以上的河段，現(xiàn)狀水庫正常蓄水位延伸至水庫庫尾距離現(xiàn)狀水庫大壩約3.6 km：

（1）庫尾以上河道蜿蜒曲折難覓河勢順直河段，上游河谷較為狹窄，難以獲得足夠的水庫庫容；

（2）現(xiàn)狀庫尾村莊眾多，若在上游建壩勢必將造成大量的新增水庫淹沒占地，導(dǎo)致移民補(bǔ)償劇增；

（3）在現(xiàn)狀水庫上游建壩施工將會對水庫的水質(zhì)造成污染，威脅下游用水對象的飲水安全；

（4）上游建大壩蓄水，要達(dá)到擴(kuò)容后相同的興利庫容，相應(yīng)水位高程處兩岸山谷寬超過500 m，若在此建壩，投資極為高昂。

綜上原因，擴(kuò)容工程的壩址不宜布置于現(xiàn)狀水庫上游。

2.1.2 現(xiàn)狀水庫下游河段

原壩址下游約600 m 開始，村莊眾多人口密集并有省道經(jīng)過，且地形開闊，故壩址不宜再往下游選擇。因此，可選壩址在原壩址至下游600 m 范圍內(nèi)選擇。

在進(jìn)一步走訪當(dāng)?shù)厝罕娂肮芾砣藛T，并在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，了解到現(xiàn)水庫大壩壩體穩(wěn)定，且運(yùn)行多年未發(fā)生過重大安全事故，故可考慮現(xiàn)壩址位置作為本次工程的一個比選壩址（上壩址方案）；此外，除了原壩址位置，在現(xiàn)壩址下游約450 m處有一個埡口，也適合修建大壩，故可做為另一個比選壩址方案（下壩址方案）。

2.2 壩址比選

（1）上壩址處于丘陵地貌河谷中，河谷為典型的“V”型谷，兩岸山體總體高大雄厚，岸坡總體較平緩，壩址區(qū)基巖主要為混合巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體強(qiáng)度高。壩址區(qū)無大的地質(zhì)構(gòu)造及區(qū)域斷裂穿過，地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，巖體節(jié)理裂隙雖較發(fā)育，但連通性較差。左、右兩岸巖體存在差異風(fēng)化現(xiàn)象，全～強(qiáng)風(fēng)化總體較發(fā)育，埋深總體較大，屬中等～弱透水性，弱風(fēng)化巖體為中等～極微透水性，隔水性較好，地下水總體呈兩岸向庫盆滲流的趨勢，表明不存在繞壩滲漏的問題。壩址區(qū)工程地質(zhì)條件較為簡單，無大的不良地質(zhì)現(xiàn)象，無大的工程地質(zhì)問題。原大壩稍上游位置有開闊腹地，是水庫庫容形成的主要區(qū)域，壩址不宜上移；若拆除原大壩再重新填筑，將嚴(yán)重影響下游日常生活生產(chǎn)用水，且工程量巨大；若在原大壩稍下游建壩，在相同興利庫容對應(yīng)水位高程處兩岸山谷較寬，填筑壩體工程量也很巨大，故此本次設(shè)計(jì)上壩址大壩擬在原大壩基礎(chǔ)上加高培厚建成新壩。該工程土料場土料可開采質(zhì)量和儲量均能滿足大壩填筑要求，此外，樞紐其他建筑的開挖料也可做為壩體填筑料。故上壩址大壩擬采用與原大壩一樣的壩型即土石壩，不再考慮其他壩型，故上壩址推薦采用原壩加高培厚方案。

（2）下壩址屬丘陵地貌單元。該段河谷總體順直，兩岸相對狹窄，為典型的“V”型谷，谷底寬約8.0～10.0 m，河水總體自南東向北西流；兩岸山體總體高大雄厚，岸坡總體較平緩，除局部（尤其是道路邊坡開挖斷面處）較陡（坡度60°～80°）外，其余部位坡度一般20°～40°。谷底一般為第四系沖積物所覆蓋，兩岸總體為第四系殘坡積土層所覆蓋，局部人工開挖斷面處可見基巖出露。上、下壩址處于同一地層地貌單元，巖性特征相同，巖體風(fēng)化規(guī)律及巖體透水性相似，全～強(qiáng)風(fēng)化巖體屬中等～弱透水性，弱風(fēng)化巖體屬中等～極微透水性。地下水由兩岸向河谷滲流。下壩址適于新建土石壩及重力壩，各建壩方案因位置相同，故地形地質(zhì)條件、建筑材料條件、施工條件基本相同。工程運(yùn)行管理?xiàng)l件方面，因水庫集雨面積大，庫水位漲落速度較快，對土石壩壩坡的穩(wěn)定安全影響較大一些，在抵御超標(biāo)洪水的能力方面，尤其是在超標(biāo)洪水越壩的安全性上，混凝土重力壩方案要優(yōu)于土石壩方案，因此，從工程運(yùn)行管理?xiàng)l件及工程投資、效益方面，下壩址重力壩方案更優(yōu)。

（3）通過選出的上壩址方案與下壩址方案，在庫容相同、水庫效益相近的條件下，再做比選，并決定出推薦壩址方案：

2.2.1 地形及地質(zhì)條件比較

上、下壩址相距約450 m，兩個壩址處于同一地層地貌單元，巖性特征相同，巖體風(fēng)化規(guī)律及巖體透水性相似，全～強(qiáng)風(fēng)化巖體屬中等～弱透水性，弱風(fēng)化巖體屬中等～極微透水性。地下水由兩岸向河谷滲流。下壩址與上壩址工程地質(zhì)特征相似，工程地質(zhì)條件較為簡單，無大的不良地質(zhì)現(xiàn)象，無明顯工程地質(zhì)問題，其地質(zhì)條件基本具備修建土石壩及中、小型砼重力壩的條件。故地形及地質(zhì)條件兩個壩址情況基本相同。

2.2.2 建筑材料條件比較

上、下壩址均可利用開挖或從土料場采購（運(yùn)距5 km），鋼材水泥等可從縣城購買（運(yùn)距42 km），混凝土骨料需從8 km 外的石場購買，此外，上壩址因利用原壩體，故只需填筑新加高培厚部分壩體即可，而下壩址為新筑大壩，全部壩體均為新建澆筑，用料上較上壩址量大，而且建成后還需將原大壩拆除，工程量巨大。因此建筑材料條件上，上壩址優(yōu)

2.2.3 施工條件比較

上、下壩址處于丘陵地貌河谷中，河谷為典型的“V”型谷，兩岸山體總體高大雄厚，岸坡總體較平緩，除局部（道路邊坡開挖斷面處）較陡（坡度60°～80°）外，其余部位坡度一般20°～40°，施工區(qū)布置受限條件基本相同；施工導(dǎo)流方面，上壩址可利用原壩輸水隧洞導(dǎo)流，無需清空庫水施工，當(dāng)建成新輸水隧洞后再利用輸水隧洞導(dǎo)流，施工過程中時間充裕，各建筑施工不受導(dǎo)流制約，下壩址施工時，需先將庫水清至死水位，并需搶在下個汛期來臨前建成輸水隧洞，且下壩址工程建設(shè)中雖然也可能利用原壩體擋水，但因上、下壩址相距450 m，也需建導(dǎo)流管將此區(qū)間一部份來水引流以及上游多余庫水（此水量雖小但依然存在），施工過程中時間緊張，各建筑施工受導(dǎo)流制約。因此施工條件上，上壩址優(yōu)。

2.2.4 工程運(yùn)行管理?xiàng)l件比較

上、下壩址相距不遠(yuǎn)，各建筑物設(shè)計(jì)形式相同，庫水流態(tài)對建筑物沖刷浸泡影響基本相同。故工程運(yùn)行管理?xiàng)l件兩個壩址情況基本相同。

2.2.5 工程總投資比較

經(jīng)兩壩址方案的工程總投資估算成果表明，上壩址方案工程投資為4.5 億元，下壩址方案工程投資為6.2 億元，上壩址方案較下壩址方案程投資省1.7億元。

綜合上述，該工程的壩址推薦采用上壩址。

3 新建水源工程

桂西北某水庫在20世紀(jì)六十年代建壩之初，當(dāng)?shù)厝丝诓⒉欢?，水庫還能肩負(fù)起其供水任務(wù)，隨著社會發(fā)展，供水范圍內(nèi)已有數(shù)千人及上千畝農(nóng)田，因大壩建在流域源頭附近，集雨面積小，已經(jīng)無法對原設(shè)計(jì)供水范圍供水，只能供少數(shù)村及日常用水及應(yīng)急的備用水源。由于從其他地方取水，距離遠(yuǎn)，或是需要加壓供水，代價較大，故擬在該水庫附近新建一座更大庫容的水庫，以保證十?dāng)?shù)年內(nèi)的居民用水。

結(jié)合業(yè)主意見及當(dāng)?shù)厝罕娫V求，原水庫在施工期間應(yīng)能保持正常運(yùn)行，確保現(xiàn)供水對象的供水安全。因此在壩址選擇時應(yīng)首先保證現(xiàn)供水對象供水安全為原則，其次選擇的壩址應(yīng)盡可能滿足自流供水，以降低供水成本。

在大壩下游約220 m 處左岸山體有一條長約600 m 的穿山隧洞，群眾用水的引水管從水庫經(jīng)由此洞穿山而過到達(dá)供水區(qū)，故若要求重力自流供水，則新建的水庫死水位不能低于隧洞進(jìn)口。

3.1 壩址選擇分析

3.1.1 現(xiàn)有水庫大壩上游河段

現(xiàn)有水庫庫尾距離大壩約420 m，距離所在河流源頭約500 m。

（1）庫尾以上河道蜿蜒曲折難覓河勢順直河段，上游河谷較為狹窄，且距離河流源頭很近，難以獲得足夠的水庫庫容及集雨面積，天然來水量少，或需要依靠較高大壩才可多蓄來水以達(dá)到人飲及灌溉要求。

（2）在現(xiàn)狀水庫上游建壩施工將會對水庫的水質(zhì)造成污染，威脅下游用水對象的飲水安全。

綜上原因，本工程的壩址不宜布置于現(xiàn)狀水庫上游。

3.1.2 現(xiàn)狀水庫下游河段

河道下游河床高程低，河床較寬，集雨面積較大，天然來水量滿足人飲和灌溉需水，但是由于河床高程相對較低，無法滿足人飲及灌溉自流引水要求，需進(jìn)行加壓到現(xiàn)狀左岸山體已建穿山隧洞進(jìn)口高程，再經(jīng)自流進(jìn)入高位水池再通過現(xiàn)狀輸水管網(wǎng)至用戶，綜合地形地貌及供需水量分析，可選的壩址有3處：上壩址位于現(xiàn)有水庫壩址處，中壩址位于現(xiàn)水庫大壩壩址下游約100 m 處，下壩址位于現(xiàn)狀大壩下游約250 m處。上、中、下壩址位置見航拍照片（圖1）。

圖1 現(xiàn)狀水庫上游的地形地貌

壩址區(qū)屬于河谷類型，兩岸地形坡度30°～40°且左、右岸山體基巖埋藏較深，拱壩要求“地形應(yīng)是左右岸對稱，岸坡平順無突變，在平面上向下游收縮，壩段下游側(cè)要有足夠的巖體支撐，保證壩體的穩(wěn)定”，從現(xiàn)場地形來看，壩址處不適宜建拱壩。

工程區(qū)周圍區(qū)域山坡覆蓋層較薄，土料儲備分散，無法進(jìn)行大方量集中開采，若考慮分散開采土料，工程投資及環(huán)保代價過于巨大。當(dāng)?shù)厣蕉嗟厣?，缺乏用于土壩建筑的土料，殘坡積土層較厚的土坡，基本上被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民開荒種樹等，且多處在沒有道路通行的高坡上，開采難度大。經(jīng)布置及測算，修建土壩需約50萬m3粘土，當(dāng)?shù)仉y以解決如此大方量的粘土料源問題，故不宜修建土壩。

壩址地層巖性以中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、中厚層～薄層狀砂巖、薄層狀泥質(zhì)粉砂巖為主。河床部位強(qiáng)風(fēng)化巖體下限深度較淺，其深度達(dá)3～5 m。中、低壩重力壩建基面一般都在弱風(fēng)化層中、上部，需要剝離強(qiáng)風(fēng)化巖層稍薄，土石方開挖量較少。壩基持力層弱風(fēng)化巖體工程地質(zhì)類別為Ⅳ類，巖體較完整，承載力、抗滑及抗變形性能較高，工程地質(zhì)條件較好，因此適合建重力壩。

綜上所述，本次工程壩址比選以混凝土重力壩為代表壩型。

3.2 壩址比選

（1）地形及地質(zhì)條件比較。通過對各壩址地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件等綜合分析，各壩址相距不遠(yuǎn)，地形地貌及地層巖性情況基本相同，具體情況見表1。

表1 各壩址工程地形、地質(zhì)條件比較表

（2）建筑材料條件比較。重力壩采用骨料（碎石、砂及塊石）需在縣城購買，有公路通達(dá)砂場，運(yùn)距約31 km，兩處壩址距離相隔不遠(yuǎn)，從建筑材料的供應(yīng)和數(shù)量來分析，各壩址條件基本相同。

（3）施工條件比較。根據(jù)施工進(jìn)度安排，上壩址方案需拆除現(xiàn)有大壩，且需填筑圍堰，工程量大，中、下壩壩方案可利用現(xiàn)有大壩做為圍堰擋水及渡汛，可少填或不填筑圍堰，工程量小，故中、下壩址施工條件及方法較優(yōu)，工期相差不大且均短于上壩址方案。

（4）工程運(yùn)行管理?xiàng)l件比較。上、下壩址相距不遠(yuǎn)，各建筑物設(shè)計(jì)形式相同，庫水流態(tài)對建筑物沖刷浸泡影響基本相同。此外，上壩址死庫容約2萬m3，中壩址死庫容約8 萬m3，下壩址死庫容約27萬m3。各壩址方案遇上枯水年時死庫容部份水量需用水泵抽取，死庫容越小，用電抽水耗資越小，保證率越高，從當(dāng)?shù)鼐用褚庠干献粤魉吭蕉嘣胶?，抽取水量越少越好，即有效庫容越大，可靠性越高。故工程運(yùn)行管理?xiàng)l件上、中兩個壩址情況基本相同且均優(yōu)于下壩址方案。

（5）主要工程量及工程總投資比較。上壩址方案工程投資為約1.9 億元，中壩址方案工程投資為1.67億元，下壩址方案工程投資為1.75億元，故中壩址優(yōu)于其他兩個壩址。

綜合上述，本階段壩址選擇推薦采用中壩址。

4 結(jié)語

本文所舉的兩個工程實(shí)例中，工程區(qū)內(nèi)均有已建水庫大壩，不同條件下在原壩址加高大壩較優(yōu)或是新建大壩較優(yōu)，均要從各個方面做比較。水利工程的建設(shè)就是為了服務(wù)群眾，響應(yīng)民生政策，故工程的建設(shè)不僅要從安全、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)考慮，還需從實(shí)際出發(fā)，從群眾意愿出發(fā)。