山西滹沱河坪上水库坝型优化分析

高 智

（山西水利职业技术学院，山西 运城 044004）

0 引言

坪上水库位于山西省忻州市定襄县境内的滹沱河干流上，是山西省境内滹沱河干流上唯一的控制性工程，控制流域面积11 996 km2，也是解决忻定盆地缺水的关键性工程。 该工程的主要供水区是忻州市中部的忻府区、定襄县和原平市。 水库坝址距定襄县城约56 km，距忻府区约76 km。

大坝是该水利枢纽最重要的建筑物，在工程投资中所占比重较大, 合理选择坝型不仅要考虑工程安全可靠性， 而且要尽量节约工程投资和方便施工。 根据推荐坝址处工程地质条件、地形条件，该坝址不适合建拱坝， 适宜建设重力坝和当地材料坝。当地缺乏土料，有丰富的石料，适宜的坝型为堆石坝或面板堆石坝，所以，拟定目前国内技术成熟且比较先进的混凝土重力坝或混凝土面板堆石坝[1]。两方案的泄水设施、提水工程、电站工程均相同，比较的重点是挡水建筑物、泄水建筑物的工程布置和主要技术经济指标。

1 拟定两方案的设计概况

1.1 混凝土重力坝方案

1.1.1 枢纽布置

混凝土重力坝由挡水坝段、溢流坝段和底孔坝段组成，另外还有坝身放水涵洞、坝后泵站、坝后电站等设施。

1.1.2 坝体设计

大坝挡水坝段采用混凝土重力式断面，坝顶高程为681.00 m，坝顶宽16 m，大坝上游边坡为1∶0.20，下游边坡为1∶0.80。溢流坝段位于大坝中部，长68 m，堰顶高程为671.00 m，采用WES 型实用堰。 底孔坝段分两段，分别位于溢流坝段两侧，各长26 m，坝顶总长494 m， 最大坝高为111 m， 最大坝底宽度为104.51 m。

1.1.3 坝基处理

混凝土重力坝的基础坐落在河床弱风化基岩的下限，需将河床表层6～25 m 厚的松散沙卵石土层及强风化层清除，再清除5 m 厚弱风化基岩，并对坝基建基面进行固结灌浆。 坝基防渗方式采用上、下游帷幕灌浆，其上游轴线位于坝轴线处，深度为基岩以下50.0 m；下游轴线与坝脚线相距10 m，深度为基岩以下30.0 m。

1.2 混凝土面板堆石坝方案

1.2.1 枢纽布置

混凝土面板堆石坝方案的枢纽工程包括挡水大坝、岸边溢洪道、导流泄洪洞、坝后泵站、坝后电站等。 大坝采用碾压堆石坝体、混凝土面板防渗，坝顶高程为683.00 m，坝顶长443.40 m，最大坝高105m，最大坝底宽度298 m，上游坝坡为1∶1.4，下游坝坡为1∶1.3～1∶1.4，坝顶宽度为8 m。下游坝坡每隔20 m 高差设一条马道，马道宽2 m，共设4 条。 岸边溢洪道设在大坝左岸岸坡上，宽72 m，总长596.77 m，其中引渠段长251.10 m。引渠段后的控制段设WES 型实用堰及闸门进行控制，以下为泄槽段，出口采用挑流方式消能。 泄洪洞设在右岸山体内，为圆形有压隧洞，洞长580 m，洞径10 m。隧洞进口设检修闸门，出口设工作闸门，采用挑流方式消能。

1.2.2 坝体设计

大坝坝体分区主要由垫层、过渡层、主堆石I区、 主堆石Ⅱ区及大块石区组成。 大坝坝顶高程为683.00 m，主堆石区顶部高程为680.00 m，坝顶设钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程为684.20 m，墙底与主堆石区顶齐平。混凝土防渗面板顶高程为680.00 m，与坝顶防浪墙相接， 顶部厚度0.60 m， 底部与趾板铰接，厚度0.60 m。 面板最大斜长176 m，设纵向缝及周边缝。 纵向缝又分为靠近岸边的张拉缝和靠近主河床的挤压缝，分缝均进行止水处理。 为防止产生表面温度应力，在面板表面配有单层双向分布筋。

1.2.3 坝基处理

混凝土面板堆石坝的基础坐落在河床强风化基岩的中部，需将河床表层6～25 m 厚的松散沙卵石土层清除，然后清除2 m 厚强风化层，再筑坝。 趾板置于强风化层下限，即全部挖除上层高压缩性松散沙卵石土层和5 m 厚强风化层，采用大体积的混凝土趾板，以保证坝坡上游混凝土面板的稳定。 趾板宽5.00 m，厚0.80 m，沿坝趾布置，全长650 m。 坝基防渗处理采用帷幕灌浆，深度为基岩内50 m，采用单排孔， 孔距2 m。 帷幕灌浆轴线位于混凝土趾板下。

2 两种方案主要工程量及技术指标比较

2.1 主要工程量比较

为使设计方案更加合理，对不同坝型方案工程的主要工程量及投资进行了比较（不包括供水和电站的工程量），其主要工程量如表1 所示。

表1 两种方案主要工程量比较表Table 1 Comparison of two proposal's main engineering quantity

从表1 可以看出，面板堆石坝方案的土石方工程量远大于混凝土重力坝方案，但混凝土及钢筋混凝土量小于混凝土重力坝方案。

2.2 技术指标

不同坝型方案枢纽工程的技术经济指标如表2所示。

从表2 可以看出， 两种方案的库容条件及总供水量相近，但就工程总投资而言，混凝土面板堆石坝比混凝土重力坝约节省1.4 亿元。

表2 两种方案技术经济指标比较表Table 2 Comparison of two proposal's technique economics index

3 两种坝型优化比较

两种坝型，混凝土面板堆石坝建在强风化基岩中部，坝轴线长度为443.40 m，混凝土重力坝建在弱风化基岩下限上，坝轴线长度494.00 m。

3.1 混凝土重力坝

混凝土重力坝建在基岩上，坝体为现浇混凝土，其强度高、耐久性好，因而大坝抵抗水的渗漏、抗御超标准洪水及抗震能力都比较强， 是一种安全度较高的坝型。 混凝土重力坝可以将泄洪、冲沙建筑物与大坝相结合布置，水库建成后，坝体维护、维修工作量小，同时施工速度快，水泥用量少，水泥水化热低，投资较省。 其主要缺点是河床覆盖层开挖工作量大，但在目前铲、挖、运机械大型化，以及坝基混凝土碾压填筑快速化的情况下，上述情况已不是影响这一坝型的主要因素[2]。

3.2 混凝土面板堆石坝

当坝址附近有较丰富的石料和混凝土骨料时，应首先考虑建混凝土面板堆石坝。混凝土面板的趾板要求有较高的稳定性， 所以对坝基的要求很高，趾板基础必须建在较好的基岩上。 为减少坝体沉降，要求坝体填筑密实度高，堆石填筑必须采用振动碾碾压，筑坝堆石料强度高、级配好，以使坝体断面小、稳定性较好[2]。

该坝型的特点为：（1）在水库水压力作用下有很高的抵抗能力，抗地震能力强，坝体填筑时可同时进行趾板及防渗帷幕的施工。 （2）大坝主体是堆石料，可在冬季、雨季施工。（3）面板施工技术要求高。（4）适合于水位迅速降落和变化幅度大的水库，因为在这种条件下，坝坡的稳定性不会降低。 （5）坝渗漏量小，面板与防浪墙易连接，但不利于与泄水建筑物或其他非土质建筑物的连接[3]。

4 结语

综上所述，两种方案的泵站座数、装机台数、装机容量完全一致。 面板堆石坝方案的土石方工程量远大于混凝土重力坝方案，但混凝土及钢筋混凝土量小于混凝土重力坝方案。 两方案库容条件相同，投资相差较大。 因此，在相同库容条件及相同供水量情况下，本着技术经济的原则，混凝土面板堆石坝方案具有一定的优越性，最终选定混凝土面板堆石坝方案。

[1] 纪云生.混凝土面板堆石坝在我国的发展[J]. 水力发电，1989（10）：47-51.

[2] 岳春芳. 水利枢纽工程坝型优选模型及其应用研究[D]. 新疆农业大学，2001.

[3] 李建伟. 丰坪水库工程坝型选择[J]. 云南水力发电，2003（S1）：29-32.