孫燕峰

甘肅省酒泉市洪水河水庫壩型比選設(shè)計

孫燕峰

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，甘肅 蘭州 730000）

洪水河水庫是一座綜合利用的中型水庫工程，壩址區(qū)河床較寬，兩岸山體及壩基為砂質(zhì)泥巖、礫巖、砂巖等軟巖，不適宜修筑混凝土壩。根據(jù)壩址區(qū)地形、地質(zhì)條件及建筑材料分布情況，對混凝土面板砂礫石壩和碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩兩種壩型通過技術(shù)經(jīng)濟比較分析，選定碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩為推薦壩型。

洪水河；壩型；面板壩；心墻壩

1 概述

洪水河水庫工程位于酒泉市肅州區(qū)以南約35km的洪水河河谷出山口以上約2.5km處。該河流屬黑河流域討賴河子水系，其控制流域面積1581km2，年徑流量2.67億 m3。洪水河水庫興利庫容3510萬m3，總的淤積庫容為1285萬 m3，調(diào)洪庫容115萬m3，總庫容4910萬m3；工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。擋水壩體為碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高82.40m。

洪水河水庫是一座綜合利用的水庫工程，主要任務(wù)是在保障洪臨灌區(qū)用水和洪水河入鴛鴦池水庫斷面水量的條件下，向酒泉市肅州區(qū)城鎮(zhèn)生活及工業(yè)供水。工程建成后，對保證城區(qū)生活用水、提高洪臨灌區(qū)灌溉保證率及地下水保護有巨大作用，并為工業(yè)發(fā)展用水提供充分的水資源保障，本工程建設(shè)具有良好的社會效益和生態(tài)效益。

2 壩型初選

2.1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)河谷兩岸岸坡陡峻，為不對稱的 “U”型谷。壩軸線附近谷底寬約284m，河道覆蓋層厚2.8～4.6m，地層巖性為第四系全新統(tǒng)（Q4）沖洪積砂卵礫石，表層1～2m含孤、漂石較多，松散，局部有大孤石架空現(xiàn)象，存在不均勻沉降；下部粒徑相對較小，物質(zhì)組成主要為卵、礫石，次為砂及泥質(zhì)物，局部零星含孤、漂石，磨圓度較好，多呈亞圓狀，稍密，強透水；下伏基巖為新近系上新統(tǒng)疏勒河組（）砂質(zhì)泥巖、礫巖、砂巖等，巖體膠結(jié)不均一，巖體軟弱，屬軟巖，透水性差，風(fēng)化強烈，強風(fēng)化帶厚4～6m。鉆孔壓水實驗表明：基巖面以下0～6.8m透水率為6.2～7.1Lu，為弱透水上帶；基巖面以下6.8～20m透水率為3.2～4.6Lu，為弱透水中帶；基巖面以下20～40m透水率為1.1～2.8Lu，為弱透水下帶；基巖面以下40～60.0m透水率為3.3～4.4Lu，為弱透水中帶，基巖面以下60.0m透水率為1.5～2.9Lu，為弱透水下帶。

2.2 基本壩型選擇

結(jié)合當(dāng)?shù)亟煌l件、水文氣象條件和地形、地質(zhì)條件，筑壩材料，水庫規(guī)模及壩高等參數(shù)，壩型初步從當(dāng)?shù)夭牧蠅魏突炷翂蝺煞N壩型進(jìn)行選擇。

由于選定的壩址區(qū)河床較寬，兩岸山體及壩基為砂質(zhì)泥巖、礫巖、砂巖等，膠結(jié)不均一，且?guī)r體風(fēng)化破碎，允許承載力低，巖體凝聚力小，本工程區(qū)不適宜修筑混凝土壩。

根據(jù)壩址區(qū)河谷及兩岸坡的地形、地質(zhì)條件，壩址處較適宜修建對地形地質(zhì)條件要求較低、適應(yīng)面較廣的當(dāng)?shù)夭牧蠅?。工程區(qū)砂礫石料分布廣泛，且質(zhì)量較好，運距近，開采方便，質(zhì)量指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，可作為壩殼填筑料和混凝土骨料使用。

綜合分析，初步選定水庫基本壩型為當(dāng)?shù)夭牧蠅?，筑壩材料為天然砂礫石料。采用當(dāng)?shù)靥烊簧暗[石料筑壩，無論質(zhì)量、儲量還是運距，都是非常具有當(dāng)?shù)貎?yōu)勢，可實現(xiàn)“因地制宜、就地取材”筑壩原則。因此，采用天然砂礫石料修建一座瀝青混凝土心墻或混凝土面板防滲的砂礫石壩，完全符合選用當(dāng)?shù)靥烊徊牧蟽?yōu)勢條件。

3 混凝土面板砂礫石壩和碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩兩種壩型比較

3.1 混凝土面板砂礫石壩

混凝土面板砂礫石壩方案樞紐布置包括擋水建筑物、泄洪建筑物及取水建筑物。

3.1.1 壩體結(jié)構(gòu)

擋水壩體為混凝土面板砂礫石壩。水庫正常蓄水位1960.69m，經(jīng)調(diào)洪計算，確定該方案的設(shè)計洪水位為1960.69m，校核洪水位為1961.35m。壩頂高程為1965.20m，壩頂寬10.0m，壩基建基面高程最低為1881.40m。最大壩高為83.8m（自趾板基礎(chǔ)“X”線起），壩長635.79m，壩體底部順?biāo)鞣较蜃畲箝L度為313m。上游壩坡為1∶1.75，下游壩坡為1∶1.75、1∶1.5。上游壩坡不設(shè)馬道，下游壩坡布置有上壩公路。經(jīng)分析計算，壩坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

壩體分區(qū)自上游至下游分別為上游砂礫料蓋重區(qū)、上游粉細(xì)砂鋪蓋保護區(qū)、鋼筋混凝土面板、墊層區(qū)、上游壩殼料區(qū)、排水區(qū)、下游壩殼料區(qū)及下游壩坡混凝土網(wǎng)格卵礫石護坡。

上游壩坡為C30鋼筋混凝土面板護坡，面板頂部厚度0.3m，底部最大厚度0.7m。河床部位趾板置于基巖上，左右岸趾板置于弱風(fēng)化巖石上。河床平趾板寬 6m，厚 0.8m，趾板底最低高程1881.40m。

為將壩體的浸潤線快速降低，確保壩體的滲透穩(wěn)定安全而設(shè)豎向排水體。豎向排水體頂部高程1962.90m，水平寬3.0m，上下游坡分別按1∶1.1和1∶1.0沿高程漸變與水平排水相接，水平排水高4.0m。

3.1.2 壩基防滲處理

河床段及岸坡段趾板基礎(chǔ)坐落在基巖強風(fēng)化層下限。為避免填筑體沉降變形時對混凝土面板產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，趾板下游40m范圍內(nèi)的填筑體，挖除全部覆蓋層，使趾板置于弱風(fēng)化層的巖石基礎(chǔ)之上。

壩基防滲處理根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，1級、2級壩帷幕灌漿后基巖透水率宜為3～5Lu，本壩屬2級高壩，帷幕孔采用兩排，上游帷幕伸入q＜3Lu的相對不透水層，深度20m左右；下游帷幕深度是上游帷幕灌漿深度的0.7倍。帷幕灌漿排距為1.5m，孔距為3m。另外，考慮到趾板與基巖接觸面的滲透，并提高趾板下部基巖承載力，在趾板范圍內(nèi)布置兩排固結(jié)灌漿，排距3m，孔距3m，深度5m。

3.2 碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩

樞紐布置與混凝土面板砂礫石壩相同。

3.2.1 壩體結(jié)構(gòu)

擋水壩體為瀝青混凝土心墻砂礫石壩。水庫正常蓄水位1960.69m，經(jīng)調(diào)洪計算，確定該方案的設(shè)計洪水位為 1960.69m，校核洪水位為1961.35m。壩頂高程為1964.40m，壩頂寬10.0m，壩基建基面高程最低為1882.00m，最大壩高82.40m，壩長635m，壩體底部順?biāo)鞣较蜃畲箝L度為 403m。上游壩坡為 1∶2.75，下游壩坡為1∶2.25和1∶2.0。上游壩坡不設(shè)馬道，下游壩坡設(shè)三級寬2.0m的馬道。

壩體排水型式采用棱體排水。排水體頂寬2.0m，排水體與壩體結(jié)合面上設(shè)有級配良好的反濾料，反濾料設(shè)為兩道，厚度均為300mm。

碾壓式瀝青混凝土心墻采用垂直布置，并將心墻軸線偏向上游側(cè)，以便與壩體防浪墻連接，瀝青混凝土心墻防滲體軸線距壩軸線的距離為1.5m。瀝青混凝土心墻的厚度按《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》（SL501-2010）的要求，并參考類似工程，確定心墻頂厚度0.5m，底部與混凝土基座接觸面厚度為2m，向上高度2m處漸變?yōu)?.2m，心墻頂與防浪墻基座連接。心墻基座采用現(xiàn)澆C20混凝土結(jié)構(gòu)，布置在心墻底部，軸線與心墻軸線相同，與心墻共同作用，形成壩基以上的防滲體，基座按地基允許滲透比降確定寬度，采用設(shè)計水頭的1/10～1/20，初擬寬度為5m，厚度1.5m。

3.2.2 壩基防滲處理

河床段及岸坡段心墻基座坐落在基巖強風(fēng)化層下限。壩基防滲處理同面板壩。

3.3 兩種壩型綜合比較

兩種壩型方案的樞紐規(guī)?；鞠嗤?，樞紐布置方案基本相近。就建設(shè)條件而言，兩種壩型均無制約因素，各有優(yōu)缺點。兩種壩型從工程布置及建筑物設(shè)計、地形地質(zhì)條件、施工難度、運行管理、工程量及工程投資等方面進(jìn)行比選如下。

（1）建筑物布置方面，兩種壩型采用相同的布置形式。

（2）樞紐大壩兩壩型均屬高壩，混凝土面板砂礫石壩壩高比瀝青混凝土心墻砂礫石壩高1.4m。

（3）壩址處左右兩岸基巖裸露，岸坡下緩上陡，巖性為砂質(zhì)泥巖與礫巖呈互層狀，二者與砂巖或含礫砂巖呈夾層狀分布，巖體膠結(jié)不均一，巖體軟弱，具崩解性。壩址上游趾板線位置左岸存在不穩(wěn)定巖體，岸坡陡峻，面板壩趾板布置及基礎(chǔ)處理有一定困難。

（4）工程區(qū)屬于寒冷地區(qū)，山區(qū)海拔高、氣溫低，干燥少雨、蒸發(fā)強烈、冬冷夏熱溫差大，混凝土面板砂礫石壩的面板澆筑、養(yǎng)護等施工難度大，瀝青混凝土心墻壩的心墻施工相對簡單，且耐久性好；壩址段河谷岸坡陡峻，呈不對稱 “U”型谷，混凝土面板壩兩側(cè)壩肩趾板開挖量及施工難度較大，瀝青混凝土心墻壩兩側(cè)壩肩開挖量小，施工簡單。

（5）混凝土面板壩體由于結(jié)構(gòu)的因素，不能充分利用施工圍堰，瀝青混凝土心墻壩可充分利用施工圍堰作為壩體的一部分，可節(jié)省投資。

（6）從運行管理而言，心墻防滲料位于壩內(nèi)，受到損壞的機率小，面板混凝土位于大壩表面，后期管理維護工程量大。

混凝土面板壩與瀝青混凝土心墻壩綜合比較見表1。

表1 混凝土面板壩與瀝青混凝土心墻壩綜合比較表

綜合比較，兩壩型工程總布置基本相同，瀝青混凝土心墻壩壩高比混凝土面板壩低1.4m；投資雖然面板壩較瀝青混凝土心墻壩少1332.04萬元，但壩址處地形地質(zhì)條件對瀝青混凝土心墻布置及施工影響較小，混凝土面板壩趾板處岸坡陡峻，且存在不穩(wěn)定巖體，巖體遇水易崩解，對趾板布置、施工及安全運行有較大影響；瀝青混凝土心墻壩可充分利用施工圍堰作為壩體的一部分，減少壩體填筑量，工期相對較短。工程區(qū)屬于寒冷地區(qū)，混凝土面板砂礫石壩的面板澆筑、養(yǎng)護等施工難度大，瀝青混凝土心墻壩的心墻施工相對簡單，且耐久性好。故選定碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩為推薦壩型。

4 結(jié)語

在河床較寬，壩基為砂質(zhì)泥巖、礫巖、砂巖等，膠結(jié)不均一，巖體風(fēng)化破碎，允許承載力低，巖體凝聚力小，具崩解性的基巖條件下，從安全和經(jīng)濟綜合考慮，不適宜修筑混凝土壩。根據(jù)壩址區(qū)建筑材料分布情況，可修建對地形地質(zhì)條件要求較低、適應(yīng)面較廣的當(dāng)?shù)夭牧蠅巍：樗铀畮旃こ虆^(qū)砂礫石料分布廣泛，可作為土石壩壩殼填筑料使用，選定混凝土面板砂礫石壩和碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩兩種壩型，兩種壩型經(jīng)綜合比較分析，瀝青混凝土心墻壩可充分利用施工圍堰作為壩體的一部分，減少壩體填筑量，工期相對較短，且能很好的適應(yīng)甘肅酒泉的寒冷氣候條件，故選定碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩為推薦壩型。

［1］SL501-2010.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范［S］.

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1008-1305（2017）05-0115-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.036

2017-04-13

孫燕峰（1980年—），女，工程師。