小石口水库坝型分析与比选

王艳军

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

小石峪河为桑干河流域黄水河支流，河道窄而曲折，至三岔村处略显开阔，河型为蜿蜒分叉型，河道常年有清水，流域面积200.93km2。小石口水库挡水建筑物推荐方案采用混凝土面板堆石坝，最大坝高46.3m，总库容317万m3，工程规模为小（一）型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级。大坝洪水标准采用30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。本区地震动峰值加速度值为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.40s，相对应的地震基本烈度为Ⅶ度。建筑物抗震设防烈度为7度。

2 坝址工程地质条件

坝址处小石峪河上游段河流流向为N60°～70°E，在坝址处为 N19°W，下游段河流流向为 N40°～50°W。小石峪河在此形成近“S”型河谷弯道，坝址选在较顺直河段。坝址处河谷底宽45～55m，主河床靠近左岸，谷底地形较为平缓，地面高程1276～1279m。两岸均为岩质岸坡。左岸岸坡较缓，坡度40°～50°，为凸岸，与河床高差约100m；右岸为高陡岸坡，坡度50°～70°，与河床高差约180m，河谷断面呈不对称“U”型。

坝址区地质构造简单，主要为单斜岩层，岩层产状为 N20°～30°E/SE∠35°～55°，倾向上游偏右岸，局部受挤压变形岩层倾角增大。左坝肩距河谷约200m处发育F1断层，为压扭性逆断层，产状N12°E/SE∠75°，断距约15m，断层带宽5～10cm。主要由云母斜长角闪片麻岩组成，岩性较软，且挤压变形较明显，透水性较差，断层影响带宽约5m。该坝址岩体中主要发育4 组节理裂隙：第 1 组 N5°～15°E/NW 或 SE∠76°～85°；第 2 组 N40°～50°W/NE∠71°～83°；第 3 组 N50°～60°E/SW 或 NW∠55°～65°；第 4 组 N60°～70°W/NE∠25°～45°。其中第1组和第2组较发育，裂隙面较平直，受风化和谷底卸荷影响，节理裂隙均有不同程度张开，宽1～15cm，无充填或少量泥质充填，局部有铁质浸染，向岩体内部裂隙逐渐闭合。

3 坝型分析与比选

从地形来看，坝址处河谷狭窄，两岸岸坡较陡，重力坝、拱坝比较适合，因两岸均存在一定宽度的卸荷带，对拱坝拱座稳定不利，因此不考虑拱坝。鉴于当地石料比较丰富，考虑混凝土面板堆石坝方案与堆石混凝土重力坝方案进行比较。

混凝土面板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。但坝身不易布设泄洪建筑物，需修建岸边式溢洪道；运行过程中需对上、下游坝坡进行经常性维护。

堆石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。但坝体施工技术要求高，混凝土施工受气候影响大；对坝基要求高，基础处理复杂。

3.1 地形地质条件

从工程地质条件分析，混凝土面板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，坝基混合土卵石层和强风化层较薄，基础处理工作简单。从地形上看，左岸有天然垭口且地形较缓，泄水建筑物可布置在左岸。堆石混凝土重力坝对基础岩石要求较高，大坝须座落在弱风化中上基岩上。据钻孔资料显示，坝基为卵石混合土层，局部为漂石，结构松散，分选较差，具有强透水性，厚度为3.5～6m。覆盖层下部基岩岩性以斜长角闪片麻岩和片麻花岗岩为主，夹二云变粒岩、斜长角闪岩和云母斜长角闪片麻岩等，岩性坚硬，片麻状构选发育，强风化层厚2～3m，弱风化层厚10～20m。选择重力坝基础开挖和基础处理工程量相对较大。因此，从地形条件分析，堆石混凝土重力坝占有优势，从地质条件看，混凝土面板堆石坝占有优势。

3.2 筑坝材料

堆石混凝土重力坝在山西省已有多座水库大坝应用，本工程内岩性主要以斜长角闪片麻岩和片麻花岗岩为主，堆石混凝土材料在山西省还未使用过，需要进行材料可行性科学试验。本方案需要混凝土粗、细骨料多，工程区内缺乏混凝土细骨料，需外购或采用人工制砂。混凝土面板堆石坝混凝土用量相对较少，需要大量筑坝堆石料。坝址区块石料储量丰富，选用的石料场位于坝轴线上游200m的右岸山体，运距近，储量和质量均满足要求。另外，溢洪道、导流泄洪洞开挖石料大部分可作为坝体堆石区用料。

从筑坝材料分析，堆石混凝土重力坝筑坝材料需作科学试验，试验费用高，而混凝土面板堆石坝就地取材，筑坝费用相对较低，因此，混凝土面板堆石坝优于堆石混凝土重力坝。

3.3 建筑物布置

混凝土面板堆石坝坝顶长145m，坝顶宽6m，坝顶高程1318.5m，最大坝高46.3m。大坝上下游坝坡均为1∶1.4，下游坝坡在高程1304.5m和1290.5m设有2m宽的马道。下游坝面采用干砌块石护坡，厚度40cm。坝体从上游到下游依次分为上游铺盖区、上游盖重区、垫层区、特殊垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区、下游护坡。垫层区、过渡区水平宽度均为3.0m。面板和趾板采用现浇C30钢筋混凝土，面板为等厚度（40cm），分块宽度12mm。趾板宽度按灌浆施工要求确定为5m，厚度0.5m。面板及趾板分缝采用止水铜片和GB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强风化层上，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。

堆石混凝土重力坝包括溢流坝段、挡水坝段和冲沙底孔坝段。大坝坝轴线垂直两岸地形布置，从左岸至右岸依次为左岸挡水坝段、溢流坝段、冲沙底孔坝段和右岸挡水坝段，坝顶长152.6m，其中左岸挡水坝段长32.2m、溢流坝段长44m、冲沙底孔坝段长7.5m右岸挡水坝段长68.9m，坝顶宽8.0m。溢流坝段布置在主河槽上，最大坝高45.3m，最大坝底宽52.7m，溢流堰净宽40m，堰顶高程1313m，建基面高程1267.7m，位于弱风化层中上部，堰面采用“WES”曲线，堰顶布置交通桥，桥宽5m。挡水坝段最大坝底宽47.32m，最大坝高49m，坝顶高程1316.7m，坝顶宽8.0m；防浪墙高1.2m，防浪墙顶高程1317.9m。坝内1298m高程及1270m高程分别设有灌浆排水廊道，城门洞型断面，宽2.5m，高3.5m，C25钢筋混凝土结构。取水口布置在左岸挡水坝段，取水口底板高程1308.7m，进口设闸门控制，通过直径800mm的压力钢管输水至坝下游。

从建筑物布置上看，重力坝方案挡水、泄水及取水建筑物均布置在坝体上，布置紧凑、占地面积小；面板堆石坝方案坝体结构简单，但坝体占地面积大，需要在两岸布置泄洪及取水建筑物。因此，从工程布置上看，重力坝优于面板堆石坝。

3.4 施工条件

在施工布置上，堆石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；混凝土面板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，混凝土面板堆石坝优于堆石混凝土重力坝。

3.5 运行管理

堆石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；混凝土面板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，堆石混凝土重力坝优于混凝土面板堆石坝。

3.6 工程量及投资

根据两种坝型的主要工程量及投资进行计算可知，混凝土面板堆石坝比堆石混凝土重力坝直接节省投资1558.51万元。

4 结语

大坝是水库工程中非常重要的建筑物，在工程投资中所占的比重较大，因此选择合理的坝型十分重要。通过地形、地质条件、筑坝材料、建筑物布置、施工条件、运行管理、工程投资的综合比较，认为混凝土面板堆石坝优于堆石混凝土重力坝。因此，本阶段推荐采用混凝土面板堆石坝。