守口堡水库大坝优化选型

李长青

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）

1 工程概况

守口堡水库是海河流域洋河分区的重点工程项目，控制流域面积291 km2，水库设计总库容为980万m3，属小（1）型水库，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，洪水设计标准选定重现期为50年一遇，校核标准重现期为500年一遇。守口堡水库由枢纽工程和工业供水工程两部分组成，其中枢纽工程包括大坝、水电站、供水发电引水工程、北一干引水工程。

2 坝型优化选型

2.1 影响坝型选择的因素

1）地形地质条件

坝址位于一两岸相对高陡的狭谷内，河谷断面基本呈“U”字型，左岸相对较缓，坡度 16°～22°，右岸较陡，坡度 53°；坝址区河谷宽约230 m。

河床坝基覆盖层为Q41pal、Q42pal卵石混合土，局部夹有粉细砂透镜体；下伏基岩为（含）紫苏斜长麻粒岩；岩性较坚硬，耐风化。左坝肩地形相对较缓，坝肩上部基岩裸露，底部覆盖有厚0.5～2.0 m的（Q4del）坡残积碎石土层，基岩岩性为（含）紫苏斜长麻粒岩。右坝肩地形相对较陡，坝肩基岩裸露，岩性为（含）紫苏斜长麻粒岩夹含榴紫苏斜长片麻岩、含榴黑云斜长片麻岩薄层。

2）气象条件

本流域属高原温带季风型大陆性气候。春季风大沙多，干旱少雨。夏季雨热同步，降水集中，但多暴雨和雷阵雨。秋季凉爽而早霜，降水显著减少。冬季严寒少雪。多年平均气温7.1℃。多年平均降水量411.3 mm，多年平均蒸发量1 734 mm，最大冻土深1.43 mm。

3）建筑材料

口泉石料场的石料物理力学指标均满足规范要求，可做为块石料，也可用来加工混凝土用骨料，太师庄石料场石料为变质岩，只可用作块石。梓家村砂砾料场的砂料可作为混凝土细骨料，东册田砂砾料场的砂砾料重新按要求筛选方可使用；守口堡村土料场的土料黏粒含量和塑性指数低，不能用作防渗材料。料场储量丰富，满足工程所需要求。

2.2 坝型方案拟定

从地形、地质条件方面看，坝址覆盖层厚6.5～17.3 m，下伏基岩为（含）紫苏斜长麻粒岩，岩性较坚硬，耐风化，堆石坝和重力坝坝型均可采用。从筑坝材料方面及施工条件看，坝址附近黏土干密度偏低，且坝址区冬季较长，黏土需要进行洒水或翻晒处理，施工比较困难，黏土均质土坝和黏土宽心墙坝黏土填筑量大，不宜采用。

通过以上初步分析，拟定重力坝方案和堆石坝方案进行比选。对重力坝方案选择碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝进行方案比选；对于堆石坝方案，选择混凝土面板堆石坝与黏土心墙堆石坝方案比选。两种方案水电站及工业供水工程布置相同，不参与比较。

1）重力坝方案设计

（1）碾压混凝土重力坝

碾压混凝土重力坝由溢流坝段及非溢流坝段组成。溢流表孔布置在河床中部，非溢流坝段位于溢流坝段的两侧。考虑水库建成后便于管理运行，利于冲沙、排沙，在溢流坝段两端布置四孔冲沙泄洪底孔。根据水电站及供水对象的地理位置及黄、黑水河灌区北一干渠已有的输水工程现状，将供水发电进水口布置于右岸挡水坝段，农业灌溉引水口布置在左岸挡水坝段，管道采用坝内埋管。

大坝座落在弱风化基岩中上部，最大坝高61 m，坝顶长366 m。非溢流坝段坝顶宽度7.5 m，上游面为折坡式，坡度为1∶0.2，下游坝坡 1∶0.8，最大坝底宽度 51.8 m。坝体为三级配C10碾压混凝土，坝体上、下游面除溢流面采用现浇常态混凝土外，其余均采用二级配C20碾压混凝土。二级配碾压混凝土厚度上游面3 m，下游面2.5 m。大坝基础铺1 m厚常态混凝土垫层。坝基设固结灌浆和帷幕灌浆。

溢流表孔采用WES剖面，堰顶高程低于坝顶3.6 m，共设6孔，堰净宽54 m，为开敞式，采用挑流式消能工。冲沙泄流底孔为4孔，洞身为方形，尺寸4.0 m×4.8 m，采用挑流式消能工。

（2）常态混凝土重力坝

常态重力坝采用C15～C30混凝土浇筑，坝顶宽7.5 m，坝顶高程、河床段建基面高程、上下游坝面同碾压混凝土坝。泄水建筑物溢流表孔和冲沙泄洪底孔布置、尺寸、消能方式均同碾压混凝土坝。

2）堆石坝方案设计

（1）混凝土面板堆石坝

堆石坝方案由大坝、溢洪道、冲沙泄洪洞、供水发电引水工程及农业灌溉引水管五大部分组成。

混凝土面板堆石坝坝顶高程高于重力坝方案2 m，最大坝高61.6 m，坝顶长368.0 m，宽8.0 m，防浪墙高1.2 m，上游坝坡为 1∶1.4，下游坝坡为 1∶1.5，在下游坝坡设两道马道，宽度均为2.0 m。面板和趾板采用现浇C25钢筋混凝土，面板厚度0.4 m，趾板厚1.0 m，面板下铺碾压5 cm厚M5水泥沙浆，垫层、过渡层水平宽度均3.0 m。面板及趾板分缝采用止水铜片和SR塑性填料。趾板置于弱风化岩层上部，其余堆石坝壳基础座落在河床卵石混合土上，需清除河床上部淤积层及松散层。趾板下设帷幕灌浆和固结灌浆。

溢洪道选为右岸河岸式溢洪道，进口为无底坎宽顶堰，堰顶高程低于大坝坝顶10.7 m，堰顶设检修叠梁门和弧形工作闸门，闸孔净宽4 m×8 m。泄槽为2条宽8 m、高10.6 m的无压洞，采用挑流消能。冲沙泄洪洞为压力洞，由进口段、洞身段及出口消能段组成，洞径8 m，全长281.4 m，采用挑流消能。供水发电压力引水工程由进水塔、压力管道两部分组成，全长250 m，出口与水电站主管相接。根据黄、黑水河灌区北一干渠已有的输水工程现状，拟在大坝靠左岸侧基岩上布置穿越坝体的农业灌溉引水管，引水管道全长120 m。

（2）黏土心墙堆石坝

坝顶高程同于混凝土面板堆石坝，最大坝高61.6 m，坝顶长 368 m，宽 10 m，上游坝坡 1∶1.75，下游坝坡 1∶1.5，最大坝底宽度173.5 m。黏土心墙顶宽4.0 m，上、下游边坡均为1∶0.2。心墙底部与基岩接触面设1.0 m厚的混凝土垫层，基础进行固结灌浆和帷幕灌浆防渗。

枢纽其它建筑物泄洪洞、溢洪道、供水发电管道、灌溉引水管道的布置、结构均与混凝土面板堆石坝相同。

2.3 坝型优化比选分析

堆石坝可以就地取材，坝体适应地基变形能力强，基础处理费用低，工期短，施工技术简单，工序之间干扰小。其缺点为：坝身不易布设泄洪建筑物，需修建岸边式溢洪道；运行过程中需要对上、下游坝坡进行经常性维护。

混凝土重力坝筑坝材料强度高，耐久性好，运行管理方便；泄洪建筑物能结合大坝布置，不需另设岸边溢洪道。但碾压混凝土重力坝坝体施工技术要求高，混凝土填筑受气候影响大；对坝基要求高，基础处理复杂。

以下从坝址区的地形、地质条件、筑坝材料、工程总布置、施工条件、运行管理、工程量及投资等方面进行坝型比选。

1）地形、地质条件

从工程地质条件分析，堆石坝对地基变形的适应性能较好，对地基承载力要求不高，坝基混合土卵石层即可作为坝基的持力层，基础处理工作简单。但在地形上两岸没有天然垭口，泄水建筑物布置困难。混凝土重力坝对基础岩层要求较高，大坝必须座落在弱风化基岩上，因此需清除坝基所有覆盖层和强风化层，基础开挖和基础处理工程量大。因此，从地形、地质条件分析，堆石坝和混凝土重力坝各有利弊。

2）筑坝材料

坝址附近没有完全适合的土料，砂砾料质量指标作为反滤层不能满足规范要求，只有梓家村砂砾料场砂料可作为细骨料，太师庄石料场可做块石，但不能加工骨料，而口泉料场石料即可做块石，又可加工粗骨料。从筑坝材料看，堆石坝和混凝土重力坝都不具明显优势。

3）施工条件

在施工布置上，混凝土重力坝的泄洪建筑物布置在坝体中部，二者施工干扰大，工期相应延长；堆石坝的大坝与泄洪建筑物分开布置，施工互不影响，可以缩短工期，泄洪建筑物的开挖料，也可作为大坝填筑材料使用。从施工布置方面看，堆石坝优于混凝土重力坝。

4）运行管理

混凝土重力坝筑坝材料强度高，耐久性好，泄洪建筑物能结合大坝布置，不需另设岸边溢洪道，冲沙效果好，运行管理方便；堆石坝运行过程中需要对上、下游坝坡进行经常性维护，泄洪洞冲沙效果较差。从运行管理方面看，混凝土重力坝优于堆石坝。

5）工程量及投资

扣除四种坝型方案中电站、工业供水工程等相同部分工程投资，四种坝型的工程量及投资如表1所示。

表1 各种坝型主要工程量及投资对比表

通过以上几方面的综合比较，从投资角度上看，碾压混凝土重力坝方案投资最省；从运行管理上看，重力坝方案泄水建筑物集中布置在坝体上，管理运行较方便。综合考虑，最终采用碾压混凝土重力坝作为推荐坝型。

3 结语

根据上述各种坝型的优缺点及投资分析，结合实际情况，选择碾压混凝土重力坝作为推荐坝型，符合技术上可行，经济上合理的原则，能够达到安全经济合理的目的。