坪底供水工程水库枢纽总体布置方案比选

贾 斌

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 工程概况

坪底供水工程地处吕梁市石楼县境内黄河一级支流屈产河上，水库坝址位于裴沟乡坪底村下游约500 m，调蓄水池位于坪底水库坝址上游约13 km的西卫村以南。坝址距石楼县22 km，距柳林县70 km，现有柳石二级公路通过库区和调蓄水池，与引水管线并行而下，交通运输条件较好。

坪底供水工程主要包括水库枢纽、供水管道、调蓄水池3部分。枢纽建筑物主要由拦河混凝土重力坝和施工导流洞组成。拦河坝坝顶长115.4 m，最大坝高31 m；供水管道正常工作状态设计供水流量0.3 m3/s，管径600 mm，供水线路总长11.243 km；调蓄水池围护坝采用均质碾压土坝，总库容120万m3。

2 工程建设必要性

石楼县水资源十分短缺，目前仅有部分地表水可供利用，但由于地高水低，且缺乏地表水控制工程，地表水开发利用率极低，需水量与供水量之间存在很大缺口。加之供水能力不足，致使许多项目不能及时立项。随着国民经济的发展和产业结构的调整，水资源的短缺已经成为制约全县经济发展的重要因素。

根据吕梁市第二次水资源评价成果，石楼县多年平均水资源总量6 327万m3，其中河川径流量为6 083万m3，地下水资源量为2 375万m3，重复利用量为2 131万m3，地下水可开采量156万m3，平均年用水总量330万m3，仅占全县水资源总量的5.2%左右。据目前工农业情况分析，全县缺水130万m3左右，主要是农业缺水，由于没有可靠的水源，导致全县经济发展缓慢，很多外资企业无法投资，也使部分工矿企业的改、扩建项目和新建项目不能实施，极大地影响了当地国民经济的发展，一些工矿企业的生产工艺达不到设计要求，粉尘、有害气体、废水大量外泄，污染了空气、水体，恶化了人类的生存环境，损害了人们的身体健康。另外，部分地区生活用水实行定时、定点配额供水，严重影响了人们的正常生活。加之目前，石楼县拟建2×600 MW燃煤电厂，该电厂建成后将每年上缴3亿元利税，大大加快全县的经济发展步伐，迫切需要新水源工程解决用水问题。因此，水资源紧缺已严重制约了全县的国民经济发展，石楼县应在节水、治污的前提下，加快建设新的水源工程来推进地区国民经济的可持续发展。屈产河流域洪灾较旱灾少，但大灾年份洪水灾害损失非常严重。目前，屈产河没有一座控制性工程，建设坪底水库后可减缓屈产河干流洪水下泄过程，缓减下游沿河两岸人民群众的洪水危害，减轻洪水对黄河干流的压力，促进当地经济和社会的发展。综上所述，兴建坪底水库是十分必要的。

3 工程等别和标准

根据《防洪标准》《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定及可行性研究报告审查意见，确定水库为小（一）型水库，工程等别为Ⅳ等。水库大坝为4级建筑物，取水泵站、供水管道、调蓄水池等主要建筑物为4级，次要建筑物为5级，导流洞等其他临时建筑物按5级建筑物设计。大坝的设计洪水标准采用30年一遇，校核洪水标准采用200年一遇；取水泵站为库区取水，其洪水标准与水库大坝防洪标准一致；供水管道工程按10年一遇洪水设计，30年一遇洪水校核；调蓄水池池身结构为均质碾压土坝，按30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核；地震基本烈度为Ⅵ度，工程设防烈度为6度。

4 水库枢纽总体布置

4.1 坝址、坝轴线及坝型的比选方案

坝址确定：在工程可研阶段，对屈产河的可能建坝河段，初步选定坪底村下游约500 m处的上坝址和坪底村下游约1.2 km处的下坝址两个坝址进行比选。坝址比选从上下坝址的地形、地质条件，建筑物布置、施工条件及工程量、投资等多方面进行了综合比较，推荐采用上坝址方案。

坝轴线确定：围绕可行性研究报告所确定的推荐坝址和坝轴线，初步设计工作一开始就进行了详细查勘和测量定线工作，结合地形、地质测量和勘探成果，分析比较认为：坝轴线处河谷左岸下部为土质岸坡，坡度较缓，发育Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级阶地，阶地覆盖层总厚度20～60 m，坝基开挖工程量较大；同时，在坝址左岸下游距坝轴线约200 m处，发育一条北北东向冲沟，而且三叠系二马营组砂岩由库区连续分布至冲沟处，砂岩分布高程较正常蓄水位低，该砂岩为弱—中等透水性，为渗漏层位，水库蓄水后坝前库区左岸存在一定的渗漏问题。另外，因坝址左岸下游冲沟距坝址较近，坝肩处岸坡三面临空，左坝头岩体抗力条件较差。为了减少坝基开挖工程量、延长左坝肩渗径以及改善左坝头岩体抗力条件，在初步设计阶段将坝轴线向河道上游推移约80 m，调整后的坝轴线走向为N49.7°E。

坝型确定：坪底水库为屈产河干流上的骨干工程，屈产河洪水量大峰陡，本工程坝址处河谷狭窄，两岸地形陡峻，无合适地形修建溢洪道，不具备建土石坝的条件。根据工程区料场调查资料，坝址区就近无合适的石料场，最近的料场运距也较远；同时考虑到砌石施工速度较慢，浆砌石坝在该工程中不具备明显的优势。因此，坪底水库坝型不适宜采用当地材料坝。在坝型比选的基础上，本工程枢纽大坝坝长较短、坝体工程量不大，从表孔、底孔泄流建筑物的布置对碾压混凝土施工的影响等方面来看，碾压混凝土重力坝通仓浇筑、施工速度快的优势并不明显；同时其对坝基处理要求相对较高，工程投资比混凝土重力坝略高。鉴于坝址区地形、地质条件较能满足修建混凝土重力坝的条件，并且混凝土重力坝施工较简单，对地基的要求较低、工程投资少且运行安全，从而确定混凝土重力坝为本工程推荐坝型。

4.2 大坝泄洪方式及泄洪建筑物布置方案比选

大坝坝顶总长115.4 m，坝顶高程837.0 m，最大坝高段建基面高程806.0 m，最大坝高31.0 m。坪底水库枢纽工程主要由大坝及取水泵站等建筑物组成。在坝型、取水泵站及施工导流洞位置基本确定的前提下，主要针对大坝泄洪方式及泄洪建筑物布置进行重点论证。对“溢流坝段6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”和“溢流坝段4孔溢流表孔＋3孔泄流底孔”两个方案在大坝技术参数相同的情况下进行比选。

4.2.1 方案一：“6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”

大坝由左、右岸挡水坝段和溢流坝段三部分组成。左岸挡水坝段长23.4 m，右岸挡水坝段长19.5 m。溢流坝段布置在两岸挡水坝段中间，长72.5 m。挡水坝段坝顶高程837.0 m，坝顶宽4.5 m，上游坝面为竖直面，下游坝坡坡比1∶0.75。溢流坝段共设6孔溢流表孔，孔口净宽10 m，堰顶高程825.0 m，堰面曲线上游面采用三段圆弧，下游面采用WES幂曲线堰顶每孔设置检修闸门和工作闸门各1道。溢流堰下游设消力池进行消能，消力池长65.0 m，深3.0 m，消力池后设铅丝石笼护底。溢流坝段设宽4.5 m的检修工作桥与两岸坝顶相通。

根据泄洪排沙的要求，设一有压泄流底孔，底孔断面尺寸4 m×4 m，进口底板高程816.0 m。泄流底孔为坝身泄水孔，为矩形压力短洞，全长22.7 m，进口段9.0 m，洞身段长13.7 m，出口通过直线段和反弧段与溢流段消力池相连。泄流底孔进口底板水平，顶部和侧面采用1/4椭圆曲线；出口段顶板设置压坡段，边坡比1∶8。进口前后设置检修闸门和工作闸门各1道，各闸门启闭设备布置于闸门顶部启闭机平台上。检修闸门孔口宽4.0 m，高4.5 m。工作闸门孔口宽4.0 m，高4.0 m。泄流底孔进口底板高程816.00 m，检修平台高程832.00 m，启闭机平台高程838.80 m。

坝体采用C20混凝土，抗渗标号W8，水位变动区抗冻标号F200，其他部位F150。溢流堰表面、导墙、闸墩采用C35抗磨蚀混凝土。大坝坝肩、坝基均座落于弱风化中、下限，坝基岩石开挖深度约4 m，两坝肩岩石开挖深度1.0 m。由于坝基和坝肩部分地段有一般节理裂隙发育，存在渗漏通道，故设计考虑沿坝长设一道固结灌浆孔，孔深5.0 m，孔径70 mm，孔距3.0 m；沿坝长设一排帷幕灌浆孔，左、右两岸坝头外分别延伸15 m和13 m，孔深按进入第二岩组泥岩2～3 m控制，孔径60 mm，孔距2.0 m，总进尺3 210 m，幕体透水率小于5 Lu，其后设排水孔。

4.2.2 方案二：“4孔溢流表孔＋3孔泄流底孔”

大坝坝顶总长119.0 m，坝顶高程838.3 m，最大坝高段建基面高程806.0 m，最大坝高32.3 m。大坝由左、右岸挡水坝段和溢流坝段三部分组成。左岸挡水坝段长22.3 m，右岸挡水坝段长47.7 m。溢流坝段布置在两岸挡水坝段中间，长49.0 m。挡水坝段坝顶高程838.3 m，坝顶宽4.5 m，上游坝面为竖直面，下游坝坡坡比1∶0.75。溢流坝段共设4孔溢流表孔，孔口净宽10 m，堰顶高程825.0 m，堰面曲线及堰顶闸门布置与方案一相同。

根据泄洪排沙的要求，设3孔有压泄流底孔，底孔断面尺寸5 m×5 m，进口底板高程816.0 m。泄流底孔为坝身泄水孔，采用矩形压力短洞，全长22.7 m，进口段9.0 m，洞身段长13.7 m，出口通过直线段、反弧段与溢流段消力池相连。泄流底孔进口底板水平，顶部和侧面采用1/4椭圆曲线；出口段顶板设置压坡段，边坡比1∶8。泄流底孔进口前后设置检修闸门和工作闸门各1道，各闸门启闭设备布置于闸门顶部启闭机平台上。检修闸门孔口宽5.0 m，高5.5 m。工作闸门孔口宽5.0 m，高5.0 m。泄流底孔进口底板高程816 m，检修平台高程832 m，启闭机平台高程840.1 m。

坝体细部结构及基础处理方式与方案一相同。

4.2.3 两方案比较

通过对方案一和方案二在枢纽工程的布置上可以看出，由于泄流底孔的泄流能力低于表孔溢流堰的泄流能力，在坝轴线位置、水文条件、工程地质条件、大坝泄洪能力完全相同的条件下，方案一校核洪水位为836.89 m，方案二校核洪水位为838.10 m。由于校核洪水位抬高，方案一在大坝总长、坝高、坝体工程量、库区淹没范围、工程投资等方面全部小于方案二，其优势明显，故本阶段设计选定方案一“溢流坝段6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”，将其作为枢纽工程布置的推荐方案。

5 结语

坪底供水工程是一项以城镇生活和工业供水为主的供水工程。通过对坪底水库工程等别和标准以及水库枢纽工程总体布置的情况分析，确定了坝址、坝轴线及坝型的施工方案，尤其是对泄洪建筑物的“溢流坝段6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”布置方案进行重要论证与比选，从而为坪底水库的开工建设奠定施工基础和技术保障。