云南省曲靖市阿岗水库工程设计中坝型选择探析

李燕

（云南省曲靖市罗平县水务局，云南 罗平 655800）

0 引言

水库工程中主要的挡水建筑物是大坝作为水库工程主要建筑物之一，施工规模大、投资占比大，尤其是现代施工技术的进步、新型筑坝材料的出现，可利用坝型越来越多，给坝型选择增加了一定的难度。水库工程设计中，坝型比选属于重要的决定性工作，通过科学、合理的坝型选择，可以提高工程经济性、减小施工难度、保证大坝安全运行，本文主要围绕以上影响因素展开详细分析。

1 坝型选择概述

坝型指的是大坝类型，按不同划分标准可得到不同大坝类型，如①材料方面，由土石结构作为支撑体的土石坝、由人工材料混凝土等结构，靠自重进行挡水的混凝土重力坝；受力结构方面：拱坝、支墩坝、空腹坝等[1]。②施工方式方面，碾压式土石坝、碾压混凝土坝、浇筑混凝土坝等。坝型比选工作，是坝型选择、确定坝型并论证的过程，是水库工程设计中的重要工作。

坝型选择时，首先应选定坝址，选择参选坝型，确定受力结构分类，并根据具体工程特点，结合坝址、坝轴线和枢纽布置型式等原则统一考虑[2]。坝型比选过程需按照一定阶段进行，首先确定基本坝型材料，进行一定工作后，可从基本坝型中选择采用的坝型，如：在土石坝中选取沥青混凝土作为防渗结构的沥青混凝土心墙土石坝；在重力坝中选取施工方式为碾压式的碾压混凝土重力坝，之后进行比选分析，确定最终坝型。下文以云南省曲靖市阿岗水库工程设计中的坝型选择为例展开具体分析。

2 阿岗水库工程基本情况

2.1 工程概况

阿岗水库位于云南省曲靖市罗平县阿岗镇境内九龙河上游段的篆长河上，是国务院确定的172 件重大供水工程之一，也是国务院确定的“十三五”期间建设的重点水利工程项目，工程概算总投资225533 万元，水库总库容12993 万m3，该工程于2016年9 月30 日开工，截至目前还在建设中。

阿岗水库工程建设任务以供水、灌溉为主，兼顾改善九龙瀑布景观用水条件、发电等综合利用。建设工程主要包括枢纽工程和白腊山引水干渠改扩建工程两部分。水库枢纽工程建设内容包括主坝、副坝、导流泄洪洞、溢洪道、挖玉冲改河隧洞、输水发电隧洞、坝后电站和鱼类增殖站等主要建筑物。白腊山引水干渠按原渠道工程布置进行局部改扩建，干渠全长约13km。工程建成后，多年平均供水量13703 万m3，其中城乡生活及工业供水2622 万m3、农业灌溉供水10302 万m3、九龙瀑布景观补水779 万m3，设计灌溉面积19.44 万亩。坝后电站装机10.5MW，多年平均发电量4131 万kW·h。

阿岗水库坝址以上流域面积为1142km2。九龙河全长163km，河道平均比降5.5‰，阿岗水库以上河长84km，河道平均比降4.1‰。水库上游有1958 年修建的大（2）型工程独木水库，其控制径流面积为196km2，总库容1.056 亿m3，其实际灌溉面积9.3 万亩，灌区在水库下游妥者以上的篆长河流域内。

2.2 工程等别和建筑物级别

阿岗水库是一座以城镇及农村生活供水、工业供水、农业灌溉为主，改善九龙瀑布景观用水条件，并兼顾发电等综合利用的水利枢纽工程。其总库容为12993 万m3，兴利库容为9938 万m3，坝后电站装机3×3500kW。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）的规定，阿岗水库工程规模为大（2）型，工程等别为Ⅱ等，其主要建筑物主坝、副坝、溢洪道、导流泄洪洞及输水发电隧洞进口为2级建筑物；输水发电隧洞洞身及出口段为3 级建筑物，挖玉冲改河隧洞为3 级建筑物。主副厂房及尾水渠为3 级建筑物。灌溉渠系建筑物渠道、渡槽、隧洞等为4 级建筑物。

根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386—2007）的规定，由建筑物级别及边坡对建筑物的危害程度，确定主副坝肩部位、溢洪道、泄洪隧洞进出口、输水发电隧洞进口边坡级别为2 级，输水发电隧洞出口边坡为3 级、挖玉冲改河隧洞进出口边坡为3级、近坝库岸边坡为3 级。表1 为阿岗水库主要建筑物级别统计表。

表1 阿岗水库主要建筑物级别统计

3 阿岗水库工程设计中坝型选择

3.1 工程选址

3.1.1 主坝坝址选择

根据可研阶段工作成果，下坝址枢纽建筑物工程量比上坝址相对较大，建筑物比上坝址多一座副坝和一条改河隧洞，但下坝址不存在岩溶渗漏问题，两岸防渗处理工程量较小，工程投资比上坝址少4857 万元；下坝址正常水位比上坝址低，淹没处理的费用也较上坝址方案少，淹没投资少4104 万元。下坝址建筑工程投资+淹没投资较上坝址少8961 万元。

通过对上下坝址的地形地质条件、工程布置、施工条件、环境影响、淹没处理及工程风险等方面进一步的综合分析比较，下坝址工程投资比上坝址少，淹没投资相对较少，不存在运行期水库渗漏的工程风险，下坝址比上坝址相对优越。因此，推荐下坝址为阿岗水库的建库坝址。

3.1.2 下坝址有无副坝方案选择

可研阶段经过经济比较论证，由于无副坝方案比有副坝方案少了一座副坝和一条改河隧洞，工程投资比有副坝少4303 万元，但无副坝方案水库回水会淹没挖玉冲河两岸土地及煤窑，淹没投资比有副坝方案高6105 万元，总体来说无副坝方案投资要高于有副坝方案1802 万元（未考虑现已开采煤矿的赔偿）。且挖玉冲支流有多座煤矿，河水污染严重，水质较差，设置副坝后，挖玉冲河水被挡入改河隧洞流向下游河道，不进入库区内，可以避免水库水质受到挖玉冲河水污染。

因此，推荐有副坝方案。

3.1.3 副坝坝址选择

可研阶段对副坝上、下坝址进行了比选。下坝址地质条件稍好，工程量略省，淹没投资少，建筑工程投资+淹没投资比上坝址少约554.4 万元，因此，推荐下坝址作为副坝的坝址。

3.2 坝轴线选择

3.2.1 主坝坝轴线比选

（1）坝轴线比选布置原则。

①大坝轴线宜采用直线，坝线短、坝体填筑、防渗工程量小，并有利于心墙及枢纽其他建筑物的布置[3]。②大坝布置宜避开不利的地形、地质条件，防渗轴线尽量避开温泉出露区域，并置于温泉出露区下游。心墙基础置于强～弱风化基岩上。

（2）坝轴线比选。

根据坝址的地形条件、工程地质及水文地质条件，拟定了2条坝轴线进行比选。上坝轴线为可研阶段坝轴线。河床内存在温泉点，上坝轴线位置刚好使温泉点处于上游坝壳范围内，若坝轴线往上游移动，则温泉点将会进入心墙区域，不利于工程施工及安全运行，因此，坝轴线不具备向上游移动的条件。为使心墙尽量远离泉点带，在布置比较坝轴线时考虑尽量将坝轴线往下游布置，但从地形上看，距离上坝轴线约70m 的右岸发育一条冲沟，再往下游则地形已开阔，尤其是右岸地形坡缓，坝轴线较长，工程投资大，受地形条件限制，下坝轴线布置可选范围较小，只能在上坝轴线与右岸冲沟之间选择。因此，综合考虑，拟定下坝轴线在上坝轴线下游约13m 较为合适。

根据比较，上、下坝轴线相距13m，距离较近，地质条件基本相当。上坝轴线坝体规模较下坝轴线小，上坝轴线坝顶长度为174m 较下坝线短2m，最大坝高上坝轴线61m 较下坝轴线61.5m矮0.5m，大坝工程投资稍低，比下坝轴线低368 万元，下坝轴线虽防渗心墙位置距离温泉带较远，但上坝轴线也已避开温泉带位置，不存在制约因素。

因此，推荐上坝轴线为主坝坝轴线。

3.2.2 副坝坝轴线比选

根据副坝坝址的地形条件，可研阶段坝轴线往上游地形逐渐开阔，建坝条件不如可研阶段坝轴线位置。可研阶段坝轴线向下游30m 为河道转弯段，覆盖层变厚，地质条件与布置条件均不如可研阶段坝轴线位置。因此，适合布置坝轴线的位置只有可研阶段坝轴线与其下游转弯段之间。本阶段初步选定上、下两条坝轴线进行比较，以期选出较优方案。根据上述分析，拟定上坝轴线为可研阶段推荐的坝轴线，下坝轴线布置在上坝轴线下游约15m 处。

经分析比选，上、下坝轴线相距15m，距离较近。上坝轴线往下游左岸逐渐放缓，右岸变陡。上坝轴线左右坝肩部位为陡崖，下伏基岩为凝灰质玄武岩、火山角砾岩、玄武岩，左坝肩基岩呈弱风化岩体，右坝肩稍差为强风化，基岩条件较好；下坝轴线左坝肩同样基岩出露，右岸地形坡度相对平缓，崩坡积堆积厚度明显大于上坝轴线，根据勘探资料崩坡积碎石土水平厚度12m，由于下坝轴线右岸位于山脊之上，地形相对较单薄，不利于右岸抗滑稳定，从地形地质条件分析，上坝轴线较优。

受地形地质条件影响，下坝轴线坝顶长度73m，坝高35.25m均大于上坝轴线坝顶长53m，坝高34.65m，工程量也略大于上坝轴线，下坝轴线工程投资较上坝轴线高178 万元。因此，推荐上坝轴线为副坝坝轴线。

3.3 坝型选择

3.3.1 主坝坝型选择

根据下坝址区地形、地质条件及天然建筑材料情况，以及可研阶段比选成果，下坝址不适合修建重力坝，合适修建土石坝。

可研阶段通过对粘土心墙堆石坝及混凝土面板堆石坝的技术经济综合比较，推荐了粘土心墙堆石坝为下坝址代表坝型。本阶段考虑防渗土料天然含水率偏高，质量指标不是很理想，就坝体防渗材料而言，选择了沥青混凝土心墙堆石坝和粘土心墙堆石坝进行比选。

（1）粘土心墙堆石坝。

坝顶高程1870.5m，河床建基面高程1809.5m，最大坝高61m，坝顶宽8.0m，坝轴线长174.0m。坝体防渗采用粘土心墙，上、下游坡比均为1：0.25，坝体内最大宽度34.00m，心墙建基面高程1809.50m，心墙上游面设置了二层反滤过渡料，一层为砂反滤料，另一层为碎石，两层反滤料的水平宽度均为1.5m；下游侧设置了二层反滤过渡料，水平宽度为2m。

粘土心墙堆石坝大坝建筑工程投资7396 万元。Ⅱ土料场征地投资及石料场到Ⅱ土料场的临时施工道路投资共计263 万元。

（2）沥青混凝土心墙堆石坝。

坝顶高程1870.5m，河床建基面高程1809.5m，最大坝高61m，坝顶宽8.0m，沥青混凝土防渗心墙采用阶梯式，心墙厚度按1/80 坝高计算，顶宽60cm，以高程1845.5 为界分成2 段，以上宽60cm，以下宽80cm，底部最宽处宽度80cm（不含扩大段）。心墙上、下游各设一层过渡层，上游水平宽度为2m，下游水平宽度4m。心墙底部设1.5m 厚C20 混凝土基座。

沥青混凝土心墙堆石坝建筑工程投资8060 万元，不需设置防渗土料场。

（3）坝型选择。

通过对地形地质条件、工程布置、工程量及投资、施工条件及工期、建筑物材料、环境影响、特殊水文地质条件（温泉带）对建坝的影响、检修条件等方面的综合分析论证。认为：①两种坝型的防渗体位置相同，防渗处理量相同，两种坝型从地质上均可行。②鉴于坝址区地质条件复杂，断层发育，岩体风化强烈，强风化岩体呈碎裂结构，从适应坝基和坝体的变形能力上分析，粘土心墙相对更合适。③沥青混凝土心墙属薄墙结构，变形开裂控制受坝基及坝体的变形影响较大，同时沥青心墙检修条件困难，一旦出现变形过大引起开裂，影响防渗效果和坝体稳定，加固处理措施不易实施[4]。④粘土心墙宽度和体积相对较大，适应坝基和坝体的变形能力相对较强，具备检修条件，加固处理措施容易实施。⑤粘土心墙堆石坝投资比沥青混凝土心墙堆石坝少约401万元。经综合分析，推荐粘土心墙堆石坝为阿岗水库主坝坝型。

3.3.2 副坝坝型选择

（1）坝型选择。

阿岗水库副坝坝址位于挖玉冲小河下拖白村下游附近的狭口处，距篆长河交汇口约1km，河床狭窄，呈不对称的“U”形，左岸相对较缓，高程1870m 以下坡度约45°，高程1870～1890m 为陡岩，坡度约70°，高程1790m 以上坡度约30°；右岸相对较陡，高程1875m 以上坡度约60°，高程1875m 以下坡度约50°。副坝坝址河床堆积有第四系冲洪积砂卵砾层，下伏基岩和左岸出露均为强～弱风化火山角砾岩、凝灰质玄武岩，左右岸弱风化层埋深约5～15m，河床部分弱风化层埋深约8～12m，坝址区未见断层发育，节理裂隙较不发育，岩体较完整，岩质坚硬、强度高，承载力高，坝基满足坝体承载力要求；除两岸发育顺河方向的卸荷裂隙外，无其他结构面的不利组合，清基处理后坝基抗滑基本稳定；地基承载力能满足刚性坝基础承载力的要求，适宜修建刚性坝。坝址区附近石料丰富，初步选定的料场主要岩性为二叠系茅口组弱风化灰岩和白云岩，储量、质量满足修建刚性坝的要求。同时，副坝的功能主要是挡水库水和挖玉冲小河来水，即坝体上下游均为挡水面，经分析，采用刚性坝对坝体稳定相对有利。

可研阶段对重力坝及拱坝进行了比选，经综合比选，两坝型均可行，不存在制约性因素。但副坝具有两面挡水功能，受力条件复杂，拱坝结构优势不明显，投资也较常规重力坝高，因此推荐重力坝方案。

根据上阶段水利部评审意见：“初设阶段结合坝后弃渣场布置，进一步研究副坝采用其他坝型的可行性”。由于本阶段挖玉冲改河隧洞轴线受煤矿采空区影响，进口调整至副坝下游100m位置，副坝后已不具备堆渣条件，因此副坝已不存在挡渣的工况，但仍存在两面挡水的情况。综合考虑，除常规体型重力坝外，结合两面挡水工况，拟选梯形重力坝进行坝型比选。

根据对常规重力坝及梯形重力坝的分析，从地形地质条件分析，两坝型均可行，不存在制约性因素。但梯形重力坝体型相对较大，工程量较常规重力坝大，工程投资高于常规重力坝110 万元。综合考虑，副坝坝型推荐常规重力坝方案。

（2）坝体材料选择。

自密实混凝土与常态混凝土相比施工简单，温控问题小，因此，副坝筑坝材料拟定自密实混凝土与常态混凝土进行比选，确定合适的坝体材料[5]。由于自密实混凝土单价较常规混凝土低，在工程量相同的条件下，自密实混凝土方案投资较低，比常态混凝土方案低98 万元，且施工简单，因此，选定自密实混凝土重力坝为副坝的推荐坝型。

4 结语

综上所述，水库工程设计中合理选择坝型有利于控制工程建设成本，降低施工难度，提高坝体适用性，最终获得较好的经济社会效益。在工程实践中，坝型的合理选择不仅重要且十分复杂，需分析地质地形成果、筑坝材料、工程规模、投资等影响因素，综合进行优缺点对比，选择合理坝型。阿岗水库工程通过多方面综合比选，主坝坝型选定为粘土心墙堆石坝，副坝坝型选定为自密实混凝土重力坝，在工程可行性、经济性、环境影响等方面均有较大优势。