芦溪县高楼水库坝型比选研究

罗 明，唐林波，高 琛

（1.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水利厅工程建设稽察事务中心，江西 南昌 330009）

大坝能拦截阻挡水流，抬高上游水位，从而形成水库。在水库设计中，大坝坝型选择是首选需要解决的一个重要问题，在选择中涉及到许多重要影响因素，如大坝坝址条件、施工工期、工程造价等[1]。一般情况下，一个坝址可供选择的坝型方案有好几个，且各个方案各有优缺点。不同的工程实际情况都不完全相同，通过分析坝型选择的影响因素，并结合坝址区的实际自然条件，可选择技术上可行、经济上合理的坝型[2]。

高楼水库位于江西省萍乡市芦溪县芦溪镇高楼村，主要建设任务为芦溪县城居民生活提供备用水源及提供农田灌溉用水，是一座以供水、灌溉为主，兼有防洪效益的Ⅳ等小（1）型水库工程。本文以芦溪县高楼水库为例，依据工程实际条件，初选出面板堆石坝、重力坝及粘土心墙坝，在初选的基础上，分别从坝址工程地质条件、工程投资及施工条件等进行比选研究，最终推荐混凝土重力坝坝型。

1 工程概况

高楼水库所在河流为袁水支流潭口水，坝址位置为潭口水下游河段，距芦溪县城3.0km，坝址控制流域面积17.70km2，水库正常蓄水位218.00m（黄海高程，下同），水库总库容794×104m3，是一座以供水、灌溉为主，兼有防洪效益的Ⅳ等小（1）型水库工程。

2 地质条件

2.1 坝址工程地质条件

坝址位于水山河V型河谷末端，河流在坝址前端弯曲，坝址附近总体较顺直，河流自南东流向北西。河床宽20m左右，河底高程162～167m。左岸山顶高程约265.5m，谷坡相对高差 100.5m，自然坡角 37°～50°，坝址上下游分布一冲沟，但切割不深，左岸地形完整性一般；右岸山顶高程约290m，谷坡相对高差119m，自然坡角33°～60°，局部陡立，右岸上游为河流弯曲端，地形总体较完整。

坝址坝轴线右岸分布一滑坡体。据本次测量成果，滑坡体平面上呈不规则长方形，滑坡体顶部相对平缓，高程为207.70～210.76m，顶部宽度约35.00m，底高程为165.00m左右，宽度约45.00m。175.00m高程以上现状坡度65°左右，175.00m高程以下现状坡度45°左右。滑坡体坡面长度约70.00m，坡面积约2 800m2，平均厚度按5.00m估算，滑坡体总方量约为14 000m3（V＜10×104m3），属小型滑坡体。

坝轴线工程地质剖面图如图1所示。坝基利用弱风化变质砂岩作为基础，岩体完整性较好，坝基抗滑性能主要受结构面控制，对坝基稳定具有影响的结构面主要为J6、J7、J10及F4。坝址水流方向为N27°W左右，坝轴线布置近垂直水流方向，库水最大推力方向为N27°W。J1倾向下游，但其倾角较陡，对坝基抗滑稳定影响不大。J1与J10两结构面组合交线其倾伏向为N10°W，倾伏角 48.5°，倾向下游，其若与 J6或 J7组合将构成楔形体，其组合对坝基稳定不利；但由于其倾角较陡，对坝基抗滑稳定影响不大。J6与J7两结构面组合交线其倾伏向为SE28°，倾伏角61.6°，倾向上游，其若与J1或J10组合将构成楔形体，其组合对坝基稳定不利；但由于其倾角较陡，对坝基抗滑稳定影响不大。断层F4与水流方向斜交，其倾角较陡且倾向上游左侧，对坝基的抗滑稳定影响较小。但其距坝轴线距离较近，建议坝基对断层破碎带进行相应工程处理。

2.2 天然建材情况

根据查勘资料，坝址天然建筑材料表见表1。

3 坝型比较与选择

3.1 坝型初选

根据推荐的坝址方案工程场址及坝址地形地质条件、天然建筑材料情况，初步考虑坝址可修建重力坝、拱坝、面板堆石坝及粘土心墙坝；本阶段坝型拟采用砌石重力坝、混凝土拱坝、面板堆石坝、混凝土重力坝、粘土心墙坝等五种坝型进行初步比选。

3.1.1 砌石重力坝方案

图1 坝轴线工程地质剖面图

表1 坝址天然建筑材料对比表

图2 混凝土面板堆石坝典型横剖面

砌石重力坝方案，坝体采用M10浆砌石进行砌筑，因目前国家对生态环境较重视，经2018年环保督查以后，许多采石场已关停，块石材料较少，且砌石坝需耗费人力较多，不适合采用机械化作业，施工周期较长，人工成本较高，施工质量受人为因素影响较大，因此本次不推荐采用砌石重力坝方案。

3.1.2 混凝土拱坝方案

混凝土拱坝方案：坝体在水平荷载作用下的稳定性主要依靠作为拱座的两岸岩体的反力，并不全靠坝体自身重力来维持稳定，因此其坝身断面比混凝土重力坝瘦小，一般比重力坝方案节省工程量1/3～2/3；同时可减少基础开挖，缩短溢洪道及导流洞的长度，拱坝的抗震性能也较好，但是由于其稳定性主要依靠作为拱座的两岸岩体的反力，其对两岸坝肩的岩基要求较高。根据地勘资料，坝址区岩体风化以面状风化为主，根据钻孔揭露，岩体垂直风化分带可划分为强风化带、弱风化带、微新岩体。根据本次物探成果结合钻孔岩芯，坝基强风化岩体破碎～较破碎，岩体质量差；弱风化上部岩体为较破碎～完整性差，岩体质量较差；弱风化下部岩体为较完整；微风化岩体完整，岩体质量较好。因此，本工程坝基情况修建混凝土拱坝明显不经济。

3.1.3 面板堆石坝方案

混凝土面板堆石坝方案：坝顶上游侧设置防浪墙，在考虑波浪爬高及安全超高后，坝顶高程222.50m，防浪墙顶高程223.50m，坝基开挖底高程160.00m，最大坝高 62.50m；上游坝坡取 1：1.4，下游坝坡取 1：1.3，下游侧于168.10m、183.70m、203.70m高程处各设置一2.00m宽的马道，上游坝面为一级坡，坝顶宽8.00m，坝轴线长158.20m。大坝自上游向下游分别为钢筋混凝土面板、垫层区、过渡层区、主堆石区、副堆石区，施工渡汛采用大坝临时断面挡水，导流洞泄流度汛，下游坝面168.10m高程以上均采用干砌石护坡，以下为排水棱体。钢筋混凝土防渗面板厚0.30m～0.60m。其典型横剖面图如图2所示。

3.1.4 混凝土重力坝方案

混凝土重力坝方案：大坝采用混凝土重力坝，考虑波浪爬高及安全超高后，坝顶高程为222.50m，根据河床地形地质条件，坝基开挖底高程为160.50m，最大坝高62.00m，上游坝面为铅直面，下游坝坡1：0.8，坝顶宽度8.00m，坝轴线长度179.00m。坝内布置灌浆、排水廊道；溢流坝对称布置在坝体中部，共两个坝段，溢流堰净宽12.50m，堰顶高程218.00m，采用WES实用堰型，堰面曲线为Y=-0.064X1.85，上游采用椭圆曲线平顺连接，下游采用圆弧曲线连接，大坝下游端设置挑流消能。其典型横剖面如图3、图4所示。

图3 非溢流坝段典型剖面图

图4 溢流坝段典型剖面图

3.1.5 粘土心墙坝方案

粘土心墙坝方案：其典型横剖面如图5所示，粘土心墙坝上下游侧坝壳料均采用风化料进行填筑，上游坝坡取1：2.5，下游坝坡取1：2.5，在上游坝坡177.00m、203.50m高程分别设一马道，马道宽均为2m；下游侧于170.00m、183.50m、203.50m高程处各设置一2m宽的马道，马道宽均为2m。上游坝坡采用C15混凝土预制块进行护坡，下游坝坡采用草皮护坡。下游侧设置排水棱体，排水棱体顶高程170.00m，顶宽6m，上游坝坡为 1：1，下游坝坡为 1：2.5。

在大坝中间部位设置粘土心墙坝，心墙坝坝顶宽6m，底宽19.40m，两侧边坡为 1：0.115，为防止坝基渗漏，在坝轴线部位对坝基风化岩体进行开挖，基础开挖底宽为12m，两侧边坡为1：2，开挖底高程为158.50m，开挖后采用C20素混凝土进行回填，混凝土回填面高程为161.50m，上部再设置一C25混凝土底板，厚1m，宽26m，C25混凝土底板上部设置灌浆孔。粘土心墙坝上下游均设置有粗反滤层、细反滤层，粗反滤层水平宽2m、细反滤层水平宽1m。

3.2 坝型经济技术比选

通过上述初步比较认为，本工程坝址适宜修建的坝型有面板堆石坝、混凝土重力坝和粘土心墙坝3种坝型方案；在此基础上，分别从工程地质条件、施工条件、工程量及工程投资等方面进行综合经济技术比选。

3.2.1 工程地质条件

根据地勘成果，面板堆石坝除混凝土址板坐落于弱风化岩层外，其它坝基对基础要求不高，粘土心墙坝只要求对坝基进行一定的防渗处理，坝基对基础要求不高，而混凝土重力坝需坐落于弱风化岩层上，相应开挖量较大，基础处理工程量大，因此从减少坝基自身开挖及基础处理方面，面板堆石坝及粘土心墙具有一定优势；但面板堆石坝及粘土心墙坝均需布置导流隧洞及岸边溢洪道，而混凝土重力坝溢洪道采用坝体中部布置，可以进行分期导流，与面板堆石坝及粘土心墙坝相比可适当减少溢洪道及隧洞开挖，减少溢洪道及隧洞处理费用，具有一定优势。

3.2.2 施工条件

上述3种坝型中，面板堆石坝和粘土心墙坝施工机械化程度高，但土料场和石料场都较远，土石料运输存在困难，高峰强度难以得到保证；混凝土重力坝方案在下游设置混凝土拌和系统，高峰强度有保证。面板堆石坝和粘土心墙坝总工期36个月，混凝土重力坝总工期30个月，混凝土重力坝方案工期少6个月。

图5 粘土心墙坝典型横剖面图

3.2.3 主要工程量及投资

3种坝型方案工程量及投资见表2。

3.2.4 坝型选择

通过从坝址工程地质条件、施工条件、工程投资等方面对3种坝型进行比较认为，混凝土重力坝方案相比于其他坝型方案，具有工程布置紧凑，可减少溢洪道及隧洞开挖，施工工艺成熟，工程施工质量易控制，施工工期短，且投资少等优点，作为本工程设计最终推荐坝型方案。

表2 主要工程量及投资比较表

4 结语

综上所述，本文通过先定性后定量的方法，可在尽量减少设计工程量的情况下从诸多坝型中选出最适合本工程的坝型方案；研究成果可作为类似工程设计时参考。