談水利樞紐工程壩型比選

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摘要:清水河水利樞紐工程位于云南省文山州，工程任務為以城鄉生活和工業供水、農業灌溉為主，兼顧發電等綜合利用。從地形地質條件、壩型特點、建筑材料、施工條件、工程投資等多方面詳細分析介紹了工程壩型比選的設計思路。

關鍵詞:水利樞紐;混凝土面板堆石壩;壩型比選

1工程概況

清水河水利樞紐工程位于云南省文山州清水江流域，工程任務以城鄉生活和工業供水、農業灌溉為主，兼顧發電等綜合利用。清水河水庫總庫容為1.26億m3，設計供水量為9271萬m3，灌溉面積23.2萬畝。電站共裝有3臺機組，總裝機容量為8.0MW，工程等別為Ⅱ等，規模為大(2)型。清水河水庫大壩推薦壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高97.0m，屬高壩。

2壩址區地形地質條件

2.1工程地形地質條件

南丘河在壩址區走向為NE15°～NE45°，在擬建壩軸線附近河道轉彎，轉角約30°。枯水期河寬6～10m，河水深0.5～1.5m。河谷多呈“V”型，左右岸山體雄厚，基本對稱。左岸山頂高程1477.6m，右岸山頂高程1482.8m，兩岸坡度一般為25°～38°。兩岸零星發育階地，河流切割深度160～170m。兩岸植被發育，基巖零星出露。左岸發育略具規模的沖溝共4條，其中規模較大的沖溝1條，位于壩軸線下游約350m，其余均位于壩軸線附近上下游;右岸發育規模較大的沖溝1條，位于壩軸線上游約300m。壩址區出露的地層主要有三疊系中統版納組上段和第四系，基巖巖性上部為三疊系中統版納組泥巖夾泥質粉砂巖，屬軟巖～中硬巖，底部為灰巖夾泥質灰巖，屬中硬巖～硬巖。第四系按成因可分為沖洪積物、坡殘積物。沖洪積物巖性主要為砂礫石、碎塊石，分布于沖溝河床及河漫灘，厚度0.3～4.1m。坡殘積物巖性主要為粉土、粘土夾碎石，多分布在緩坡表部及坡腳，厚度變化較大，一般0.5～3.5m。壩址區泥巖、泥質粉砂巖在地表均呈強～全風化狀態。兩岸巖體頂部以強風化為主，河床以弱風化為主，左岸強風化帶厚度12.2～28.5m，弱風化帶厚度3.5～19.2m;右岸強風化帶厚度17.3～36.8m，弱風化帶厚度34.1～45.1m;河床弱風化帶厚度9.5～10.5m。左岸岸坡大部分被覆蓋層或全風化層覆蓋，巖體卸荷現象不明顯，推測水平卸荷深度小于10m;右岸岸坡在河谷底部大范圍基巖出露，岸坡較左岸陡，卸荷現象較左岸明顯，推測水平卸荷深度小于15m。壩址位于大法白向斜北西翼，在壩址處呈單斜構造，巖層產狀:NE20～35°SE∠25°～60°，未發現較大規模的斷層發育，主要的構造形跡為節理裂隙。

2.2天然建筑材料

初步選定壩址下游拉角村附近石炭系下統大唐組(C1d)及中統威寧組(C2w)灰至深灰色中～厚層灰巖或白云質灰巖作為工程所需石料，距上壩址距離約5km。該料場巖石質量較好，儲量較豐富，易于開采，經過分析可滿足混凝土壩的人工骨料和當地材料壩堆石料的需求。初選扭倮和以勒兩處土料場，兩土料場距壩址距離分別為11km和2.0km，兩土料場均無直接進場道路，交通相對較差。經過判斷，兩土料場土料質量較好，滿足筑壩要求，但儲量不足。

3基本壩型選擇

拱壩、重力壩、當地材料壩是3種基本比選壩型。壩址區河谷呈“V”型，左右岸山體雄厚，基本對稱，但第四系全新統坡殘積含碎石粘土分布厚度0.5～3.5m，且強風化層深厚。壩肩巖體抗變形能力較差，需采取工程措施，因此基本不具備建拱壩的地質條件。從地形地質角度來說，本壩址具有修建混凝土重力壩的條件。經過初步分析，修建90～100m的混凝土重力壩，壩基需要開挖至弱風化巖體中下部，左岸(巖性為深灰色灰巖夾灰黑色泥質灰巖)弱風化中下部巖體允許承載力為2.5～3.0MPa，抗剪斷強度指標為:f'為0.7～0.75，C'為0.65～0.75MPa;右岸(巖性為粉砂巖夾泥巖)弱風化中下部巖體允許承載力為1.5～2.0MPa，抗剪斷強度指標為:f'為0.6～0.65，C'為0.55～0.65MPa。壩基巖體強度軟硬相間，抗剪強度不高，存在不均勻變形等問題;但從技術角度分析，采取一定的工程措施后修建重力壩是可行的。當地材料壩適應變形能力強，對基礎要求低，能適應本工程地形地質條件;且壩址區石料儲量豐富，質量較好，無論從石料儲量和質量來說都能夠滿足堆石料筑壩的要求。因此，將當地材料壩壩型比選作為本階段壩型方案選擇的重點工作內容。

4壩型比選方案設計

下面對混凝土面板堆石壩、瀝青混凝土心墻壩、碾壓混凝土重力壩共3種方案進行比選，研究對象的正常蓄水位為1392.00m。

4.1混凝土面板堆石壩

大壩壩頂總長400.0m，壩頂高程1395.50m，防浪墻頂高程1396.70，壩頂寬度為10.0m，最大壩高97.00m，上游壩坡坡比1∶1.405。壩下游坡設寬9.0m的“之”字形上壩路，坡比8%，路間局部坡比為1∶1.4，則壩下游坡綜合坡比為1∶1.95。上游采用鋼筋混凝土面板、趾板和止水系統及防滲帷幕防滲。河床段趾板置于弱風化巖體下部，兩岸及壩肩趾板置于強風化巖體中下部。趾板下設25錨桿，并進行固結灌漿和帷幕灌漿，帷幕灌漿深入相對不透水層(q=3Lu)以下5.0m。面板上游設上游鋪蓋區和蓋重區，頂高程1333.50m，頂寬均為3.0m，向下部逐漸加厚。面板厚為0.40～0.68m，鋼筋混凝土結構。面板下游設墊層區(水平厚度4.0m)、過渡區(水平厚度4.0m)、主堆石區、下游堆石區和堆石排水區，下游壩坡采用干砌石護砌。

4.2瀝青混凝土心墻堆石壩

瀝青混凝土心墻壩大壩壩頂長400m，壩頂高程1395.00m;防浪墻頂高程1396.20m;壩頂寬10.0m，最低建基面高程1308.00m，最大壩高87m，最大壩底寬度333m。瀝青心墻頂高程1394.20m，心墻最低底高程1308.00m，心墻頂厚0.5m，底部厚1.0m。大壩上游壩坡設三級馬道，高程為1372.60、1352.60、1334.90m，馬道寬均為2m，1334.90m高程馬道以上壩坡坡比1∶1.8，以下壩坡坡比為1∶2.0。下游馬道結合上壩公路設置，馬道寬8m，壩坡坡比為1∶1.75和1∶1.80。瀝青混凝土心墻采用直心墻形式，瀝青心墻頂部厚度0.5m，高程1375m以下厚度1.0m，底部2m處開始漸變，與混凝土基座(齒槽)相接處心墻加厚至1.5m。壩體從上游至下游依次分為上游護坡、上游堆石壩殼、上游過渡區、瀝青混凝土心墻、下游過渡區、下游堆石壩殼Ⅰ區、下游堆石壩殼Ⅱ區和下游護坡。其中，上下游護坡均為干砌石護坡，厚0.5m;上下游過渡料區厚度均為3m，下游排水體末端設置排水棱體。瀝青混凝土心墻底部設厚2.5m、頂寬4.5m的混凝土基座，心墻基座頂部位于強風化線以下，底部置于弱風化基巖上;基礎底部設置防滲帷幕，帷幕灌漿深入相對不透水層(q=3Lu)以下5.0m。

4.3碾壓混凝土重力壩

重力壩最低建基面高程為1302.0m，壩頂高程為1394.10m，最大壩高92.10m，防浪墻頂高程為1395.30m，壩頂寬度為10.0m。壩頂長度為379.5m，自左岸至右岸分18個壩段，溢流壩段長21.0m，布置在11號壩段。左岸擋水壩段長211.0m，右岸擋水壩段長147.5m。上游壩面高程1347.0m以上鉛直，以下坡度為1∶0.2;下游壩面高程1382.1m以上鉛直，以下坡度為1∶0.75。壩基巖體中節理裂隙較發育，為提高壩基巖體的整體性和抗變形能力，需對壩基巖體進行固結灌漿處理。壩踵、壩址部位固結灌漿孔深8.0m，壩斷面中間部位孔深5.0m，間排距均為3.0m。壩基防滲帷幕設計標準定為3Lu。帷幕設計為2排，孔距2.0m，排距1.0m，帷幕孔深入壩基3Lu線以下5m，平均深度約45m。

5壩型選擇

5.1當地材料壩壩型選擇

兩種壩型地形地質條件相同，工程布置、運行管理基本相同，因此主要從建筑材料、施工及工程投資上進行比較。面板壩壩體結構簡單，工序間干擾少，便于機械化施工，施工進度快，堆石體是施工控制工期的主要因素，氣候對面板堆石壩的施工影響很小。壩址區適宜筑壩石料儲量及質量均滿足要求，且運距在5km范圍內。瀝青混凝土心墻防滲效果好，心墻的骨料、瀝青等原材料受外界氣溫、降雨影響小，施工方便。其缺點是瀝青混凝土防滲心墻中瀝青指標要求高，需外購特定地區產品，單價高，工程投資高。兩種壩型壩體工程量有所差別，瀝青混凝土心墻壩壩坡較緩，壩體填筑量大于面板堆石壩，但面板堆石壩混凝土和鋼筋工程量較大。經計算，兩壩型主體建筑工程可比投資分別為1.43億元和1.85億元，面板堆石壩投資節省0.42億元，更為經濟。綜上比較可知，瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩兩種壩型方案技術上均可行。混凝土面板堆石壩壩體結構簡單，斷面更小，可減少工程占地，工程運行管理方便，經濟性較優;因此選定混凝土面板堆石壩作為當地材料壩推薦壩型。

5.2面板堆石壩方案與碾壓混凝土重力壩方案

比選兩種壩型技術上均可行，主要從地質條件建筑材料、施工條件、工程投資等方面進行綜合比較。重力壩壩基巖體強度軟硬相間，抗剪強度不高，存在不均勻變形等問題;但從技術角度分析，采取一定的工程措施后修建重力壩是可行的。面壩堆石壩對地質條件要求低，適應性強，趾板及主受力區處對地基要求稍高，其余部位僅需挖除覆蓋層;因此從壩址地質條件來說修建面板堆石壩存在一定的優勢。面板堆石壩的筑壩材料主要是堆石，根據地質勘查，距離壩址約5km的拉角料場灰巖料可滿足作為堆石料筑壩的質量和儲量要求，下游干燥區可利用部分溢洪道、廠房、隧洞等建筑物開挖料筑壩。混凝土用量較少，可減少壩體材料耗能。碾壓混凝土重力壩方案的筑壩材料是碾壓混凝土，要求較高，用量較大。根據地質勘查，拉角料場灰巖料可滿足作為混凝土骨料的質量和儲量要求，但水泥、粉煤灰等膠凝材料需外購，外購材料用量多。現場需修建較大規模的砂石料生產系統和混凝土拌合系統。混凝土面板堆石壩方案工程部分可比投資為5.03億元，碾壓混凝土重力壩為5.81億元。面板堆石壩方案較碾壓混凝土重力壩少0.78億元，混凝土面板堆石壩方案的經濟性較優。

5.3選定壩型

經比較，瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩方案和碾壓混凝土重力壩3種壩型方案各有優缺點，技術上均可行。混凝土面板堆石壩能充分利用當地材料，壩體結構簡單，可減少工程占地，運行管理方便，經濟性較優;因此選定混凝土面板堆石壩作為推薦壩型。

6結語

壩型比選決定著工程的方案、投資，在大壩設計過程中起著關鍵性作用。本文從地形地質條件、壩型特點、建筑材料、施工條件、工程投資等多方面詳細分析了本工程壩型比選的設計思路，在保證安全的同時，有利于加快施工進度、節約投資，對未來類似工程具有積極意義。

作者：張龍天 李婭 單位：中水北方勘測設計研究有限責任公司