平原围坝水库库盆开挖型式分析比较研究

孙志锋，顾嵋杰

（1.新疆自治区阿克苏地区温宿县水利局,新疆 温宿 453000； 2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

0 引言

近些年来,在西北地区由于适合建设拦河水库条件的地方越来越少,而水资源短缺与时空分布不均依然存在,因此当地的水资源规划越来越重视平原水库的调蓄作用[1-4]。在此背景下,新疆阿克苏地区温宿县台兰河洼地水库作为平原调蓄工程被列入《新疆“十三五”水利改革发展规划》中,同时也进入到全国大中型水库规划序列中,是自治区列入的25座大中型水库之一[5-6],旨在解决当地水资源分布不均的问题。

平原水库相较于传统的拦河水库相比,无天然蓄水库容,两岸亦无可利用的挡水山体,需要下挖库盆,三面或者四面围坝挡水,因此具有坝线长,坝高低,蓄水面积大的特点。

1 工程概况

洼地水库位于阿克苏地区温宿县台兰河流域中上游,是一座以灌溉、工业供水为主,兼顾向台兰河地下水库补水的综合性水利工程,也是目前新疆最大的引水注入式四面围坝平原水库工程。水库总库容5582 万m3,Ⅲ等中型工程。工程修建于台兰河出山口山前倾斜戈壁滩平原之上,采用四面堆填围坝而成,最大坝高28.72 m。水库采用全库盆铺塑防渗,防渗体选用复合土工膜（400 g/0.8 mm/400 g）,设计死水位1500.60 m,正常蓄水位1518.00 m,校核水位1518.20 m,正常蓄水位对应水面面积260 万m2[7]。

水库南侧大坝高度较大且集中,在此段大坝外侧设置堆渣平台,用于堆放水库开挖多余弃料,同时也可作为坝体压重平台,保证坝体结构安全。平台宽度150 m~200 m之间,平均高度20 m。

图1 水库平面布置图

2 库盆开挖方案

由于水库修建于山前倾斜平原之上,无可利用天然湖泊、洼地等天然蓄水库容,需要对现状滩地进行下挖上填,通过下挖滩地,利用开挖料在水库四周堆填围坝,形成一个闭合的围坝蓄水水库。不同库盆开挖型式对水库坝高、工程量、土方调配运距、土石方平衡以及工程投资影响重大,甚至会影响坝高规模,因此,选择合理的库盆开挖型式是平原水库库盆设计的重点内容。

在同等库容条件下,分别从最大坝高、最低坝高及推荐坝高方面考虑,借助Civil3 D软件不断反复试算设计库底型式、高程,最终拟定3 种方案。各方案库底均位于开挖基础上,无回填区域。

方案一（图2）：结合现状地形,库底为水平段（300 m）-斜坡段（550 m）-水平段型式。起始水平段长度300 m,控制水平开挖底高程1500.0 m。斜坡段长度550 m,起点开挖底高程1500.0 m,终点高程1490.80 m,斜坡段坡比1∶67.1；末端水平段控制底高程1490.80 m,终点接下游坝体内坡脚线,最大长度405 m。

图2 方案一库盆开挖型式（横向1:1000/纵向1:100）

方案二（图3）：库底为水平型式。库盆为水平库底,控制水平开挖底高程1490.80 m,防渗体土工膜高程1491.00 m,同建基面高程。

图3 方案二库盆开挖型式

方案三（图4）：库底为水平段（300 m）-斜坡段（350 m）-水平段型式。起始水平段长度300 m,控制水平开挖底高程1495.80 m。斜坡段长度350 m,起点开挖底高程1495.80 m,终点高程1490.80 m,斜坡段坡比1∶70；末端水平段控制底高程1490.80 m,终点接下游坝体内坡脚线,最大长度553 m。

图4 方案三 库盆开挖型式

3 库盆方案比较

3.1 坝高

方案一库盆下挖土方量最小,主要靠围坝蓄水库容,因此坝高最大,经分析最大坝高31.67 m。方案二采用水平库底开挖型式,并且建基面同防渗体高程,下挖库容大,所需堆坝库容最小,因此坝高最低,此方案最大坝高26.36 m。方案三介于方案一和方案二之间,最大坝高28.72 m。

3.2 土方工程量及投资

方案一在设计过程中遵循以开挖量定坝高的原则,因此基本可实现土方平衡,土方开挖量1152.89 万m3,填筑量978.00万m3,投资3.59 亿元。

方案二遵循最小坝高的原则,因此土方开挖量最大,弃方最多。土方开挖量2310.13 万m3,填筑量611.49 万m3,投资4.78 亿元,较方案一高出1.19 亿元。

方案三在前2 个方案的基础上,对库盆开挖型式进行优化,通过调整库盆型式,确保坝高不超过中坝（30 m）高度,同时兼顾土石方平衡,投资省的原则。最终方开挖量1789.8 万m3,填筑量757.93 万m3,投资4.21 亿元,较方案二节省0.57 亿元。

3.3 土方调配

不同库底开挖型式将导致开挖土方量空间分布不均,根据坝体所利用回填料数量、堆渣平台位置及调配方向,库底开挖应满足“高料高用、低料低用、运距最短、成本最低”原则。水库下游段（南侧）坝高最大,所需的填方料最多,且渣场设在坝体外侧。

方案一、方案三库底型式采用水平、斜坡、水平的台阶开挖型式,结合地形变化,做到上游少挖,下游多挖目的。从而使得开挖料利用料、弃方料综合距离下游侧最近,综合运距最短,成本最低。

方案二采用水平库底,导致大部分土方量集中在水库北侧（上游）段,而上游段坝高低,所需填方料少,主要开挖料将运输至下游坝体及渣场,综合运距长,成本高。

3.4 库底附加应力

库底上下游开挖深度相差不宜过大,避免由于库底开挖卸荷深度不同而造成基底附加应力相差较大,防止后期水库蓄水后库底发生不均匀沉降变形。

方案一上下游最大挖深差7.10 m,方案二最大挖深差18.10 m,方案三最大挖深差12.10 m。方案二上下游挖深差最大,库盆基地附加应力差也最大,其次是方案三。

各库盆方案综合对比见表1。

表1 各库盆方案综合对比表

4 库盆型式确定

洼地水库采用全库盆铺塑防渗,防渗材料选用复合土工膜。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）规定,土工膜防渗体坝仍处于发展阶段,还未形成成熟的设计施工技术体系,规定用于3 级低坝以下规模[8]。方案一坝高超过30 m,属于中坝,因此从土工膜适用条件考虑,不适合土工膜防渗体水库设计。方案二坝高最低,但土方量量、工程投资、土方调配运距最大,经济不合理,且蓄水后库盆基底附加应力差也最大,容易引起库底不均匀沉降。方案三综合方案一、方案二的特点,库底遵循现状地形走势布置,上下游挖填深度合理,坝高符合土工膜防渗体低坝要求,经济合理,技术可行,因此库盆设计最终选用方案三。

图5 库盆效果图

5 结语

1）库盆开挖方案的确定应因地制宜,结合现状地面走势布置,对于倾斜地形不宜做成水平库底,避免由于库底开挖卸荷深度不同而造成基底附加应力相差较大,防止后期水库蓄水后库底发生不均匀沉降变形。

2）库盆型式的确定是平原水库设计的重点,它对围坝坝高、工程投资有着至关重要的影响,因此在水库设计中应进行多方案论证比选,最终确定经济合理,技术可行的方案,可为工程设计提供依据。