水库坝轴线及坝型选择研究——以石洞水库工程为例

姚小星

(峡江县河库建设养护中心， 江西 吉安 331409)

我国尽管水资源丰富，但对水资源的需求也同样很大，是世界上贫水国家之一，因此长期以来我国通过水库大坝建设来提高水资源的利用率，对水资源进行优化配置，加强对水资源的开发与利用。水库建设是我国在利用与配置水资源规划中的重要建设内容，其中最关键的环节在于坝轴线和坝型的选择，这也是影响后续施工和投资的关键因素，因此需要在工程规划时进行科学的坝轴线比选和坝型确定。

1 工程概况

1.1 工程概述

石洞水库位于江西省峡江县罗田镇石洞村，坝址坐落在罗田镇以西约7 km的黄金江支流，是一座主要用于灌溉的中型水库，建成后能够满足流域下游共计2286 hm2农田灌溉需求，总控制流域面积达到34.7 km2，总库容为1165万m3。

1.2 地质条件

工程建设区域的地质构造系相对较为稳定，工程区的地震动峰值加速度为0.05 g，拥有较好的区域稳定性，库区所处地形为低山丘陵及河谷，多见陡峭岸坡和裸露的基岩。但水库周围有高且雄厚的分水岭，没有通向库外的明显断层，水库建成后没有永久性渗漏问题。坝区地层无较大断层分布，两岸岸坡较稳定，岩石左右岸都受到风化作用的强烈影响。

1.3 水文条件

石洞水库的坝址位于黄金江石溪水支流，流域面积56.5 km2，河长22 km，流域内多年平均降水量约在1578 mm，多年平均气温18 ℃，平均蒸发量1050 mm，平均相对湿度82%，年平均水温20 ℃。按照水库使用50 a期计算，此处坝址的淤积量相应库容约为15.9万m3。以邻近的神山水文站为参照，可计算出坝址多年平均径流速为1.015 m3/s，多年平均径流量为3203万m3。

2 坝轴线比选

2.1 上、下坝线工程地质条件比较

研究本工程上下坝线所处地质条件时选用下坝址(丁家村坝址)的开发方案，坝址适宜建造的水坝类型为土石坝或堆石坝，左岸可供坝线选择的范围约为240 cm，右岸仅有50～70 cm。将上、下两处坝线的工程各项地质条件进行对比后得出见表1。

表1 上、下坝线工程地质条件比较情况

根据表1 内容可以算出，上、下两坝线沿河相距约为280 m，坝顶高程132 m，左岸坝端相距165 m，右岸31 m。在工程实地考察中，河流的上坝线主要位于左岸，下坝线主要位于右岸，就两岸的地形来看，右岸的上坝线地势更缓和，左岸的上坝线相对陡峭。在河谷区域，上坝线宽为138～211 m,下坝线宽约80～140 m。根据地形地质条件来看，下坝线优势更大。

2.2 坝轴线比选主要工程地质问题与评价

在分析上、下坝线的地质地形条件后，发现此处坝体坝型较长，最适宜修建的水坝类型为土石坝。本工程坝体较高，将强风化带的中下部用作建基面使用，心墙部分的坝基不仅要清除透水能力中等的第四系覆盖层，还要清除中上部的强风化带岩体，从而提高坝基的建设质量。

2.3 上坝线工程布置方案

石洞水库上坝线的蓄水位需要建设到130.2 m才能满足水库的灌溉用水需要，适应当地地形条件，其枢纽建筑物主要由黏土心墙土石坝、溢洪道、引水建筑物和渠首建筑物组成。上坝线的工程总布置中，坝轴线长约405.5 m，坝顶高程约133.2 m，防浪墙顶高程约为134.4 m，最大坝高为49.2 m。

溢洪道进口位于距右坝肩上游约145 m的垭口处并顺冲沟展布，溢流净宽35 m，为无闸控制实用堰，堰顶高程129.0 m，总长344.9 m；引水建筑物布置于右岸山体中，明渠进水口位于大坝上游260 m处山坳，隧洞进口位于右坝肩上游约105 m处的山坡处，出口位于下游山坡脚接灌溉渠首水池，全长363 m，其中隧洞段长194.7 m，为圆形有压隧洞，洞径1.8 m。

2.4 下坝线工程布置方案

下坝线主要位于水坝右岸，正常蓄水位建设至129 m即可满足灌溉需求，其枢纽建筑物主要由黏土心墙土石坝、溢洪道、引水建筑物和渠首建筑物组成。总布置的坝轴线长395.0 m，坝顶高程为132.0 m，防浪墙顶高程约为133.2 m，最大坝高为51.4 m。其余工程布置内容如溢洪道进口、明渠进水口等，包括引水建筑物布置等皆与上坝线一致。

2.5 坝线比较与选择

通过对上、下坝线的工程布置方案进行分析后发现，除大坝本体外其余建筑物和工程项目的布置基本相同，因此仅对大坝的投资做比较，判断其资金投入，具体项目有土方与石方的开挖施工、石碴混合料的开挖、砂砾石过滤、心墙填筑、混凝土施工等，上坝线总工程直接费7419.21万元，下坝线总工程直接费5851.66万元，而坝线直接费差值为1567.55万元。

在地形地质方面，两坝线的地层岩性和地质构造基本一致，均具备建库条件，但从地形角度来看下坝线的走势优于上坝线，受到的风化影响弱于上坝线。从水库规模来看，若要上坝线满足灌溉需求则要将正常蓄水位提高至130.2 m，此时淹没线也会一并升高，淹没范围扩大，工程建设难度将会直线上升，下坝线则没有这一问题。就表2对比结果显示，下坝线的投资明显少于上坝线。因此综合比较过后，上坝线最大坝高较下坝线小，但坝轴线长、最大坝高坝段长，下坝线最大坝高较高，但坝轴线短，最大坝高坝段短，工程投资总体下坝线较上坝线小，且下坝线淹没范围控制在峡江县境内，而上坝线涉及吉水县新陂村。故本次推荐下坝线为工程建设坝线[1]。

3 坝型比选

3.1 坝型设计

坝址位于峡谷出口下游，河流流向呈 NW-SE-NEE 向，近似倾斜“L” 形，河谷呈不对称的梯形，坝轴线上、下游附近两岸均为较开阔的滩地。根据坝址区地形条件，选择混凝土面板堆石坝和黏土心墙坝两种坝型进行比较，实地建设形态的比较如表2所示。

表2 两种坝型设计比较情况

混凝土面板堆石坝趾板建基面为弱风化层上部，利用趾板作压浆板，对其下基岩进行固结灌浆和帷幕灌浆处理，对张开节理裂隙应逐条开挖清理，并用C20混凝土封堵。趾板下游0.5倍坝高范围内坐落在全风化基岩中下部，其余坝基坐落在全风化基岩上。趾板基础固结灌浆3排，深5 m；帷幕灌浆1排，结合中间排固结灌浆孔实施，孔距2.0 m，深入相对不透水层5.0 m。

黏土心墙坝的黏土心墙和过渡反滤层开挖至强风化层中、下部。其余坝基部分建基面清除表部0.6～1.2 m的根植土层。心墙底部设压浆板对坝基进行帷幕灌浆，单排孔，孔距2.0 m，深入相对不透水层5.0 m。

3.2 坝型比较与选择

混凝土面板堆石坝和黏土心墙坝都是已经在许多工程中有成功应用的坝型，在我国的水库工程建设也已经较为成熟，设计理念和施工手段都已经相对完善，因此二者之间的施工难度和设计复杂性差异性问题暂时忽略不计，且两种坝型的溢洪和引水建筑物设置基本一致，因此从以下几个方面来比较两种坝型在石洞水库中的适用性[2]。

在地形地质条件方面，坝址中的河谷横切面也不对称的梯形，若选用堆石坝则要求上游趾板处地形基本对称，因此河谷地形对两种坝型都不造成实际影响。

在建筑材料方面，心墙坝使用的防渗土料需要由料场开采获取，上、下游坝体的填筑料可以利用枢纽建筑物施工中产生的开挖料。同时坝址附近有大量自然形成的风化碴料可以使用，坝体总土石方利用量超过40万m3。若选择堆石坝，枢纽建筑物的开挖料则不能用作填筑料，附近的风化岩碴料的成材率过低，对工程没有实际意义，总利用堆石料约9000 m3，且其中大量筑坝材料需要从料场开采运输。从建筑材料角度来看心墙坝的施工条件优于堆石坝[3]。

从工程建设条件来看，心墙坝中开挖的材料可以直接用作坝体填筑，且坝体断面小，整体工程量小于堆石坝。但就施工度汛条件来看，面板坝方案和心墙坝方案的施工总工期同为两年，坝体均需在第二年汛前抢筑至度汛高程。心墙坝汛期不允许坝体过流，而面板坝在进行保护后，可以允许汛期从坝体过流，若施工工期滞后或遭遇超标准从工程投资角度来看，洪水对面板坝的影响较小。因此若考虑到施工度汛的风险性则面板坝较优[4]。

心墙坝的实际建设工程项目与面板坝有较大差异，若从坝体填筑工程量来看则心墙坝工程量更大，但土石方开挖、混凝土、钢筋、固结灌浆和帷幕灌浆工程量都少于面板堆石坝。二者的工程项目、具体工程量、工程投资金额差异见表3。由表3可知，两种地形投资相差2120.11万元。

综合坝址地形地质、工程建设条件、天然材料源、工程量与工程投资成本来看，本阶段确定黏土心墙坝为基本坝型。

3.3 坝基处理

坝基河床部位和河谷上部有3～5 m低液限黏土和砂卵石夹孤石覆盖层，其下为深厚的强风化石英片岩夹石英岩。黏土心墙和过渡反滤层开挖至强风化层中、下部，上、下游边坡1∶1.5。其余坝基部分建基面清除表部0.6～1.2 m的根植土层。坝基层面裂隙等较发育。心墙部位开挖后的基岩面用风水枪冲洗干净，对张开节理裂隙应逐条开挖清理，并用C20混凝土封堵，基岩表面现浇0.30 m厚混凝土。黏土心墙底部设混凝土压浆板对下部岩体进行帷幕灌浆防渗。压浆板宽5.0 m，厚1.0 m。帷幕防渗标准按基岩透水率q≤10 Lu控制，帷幕底线深入相对不透水岩体顶板以下不小于5.0 m，两岸至水库正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处。

表3 大坝主要相异项目工程量和工程投资比较情况

3.4 护坡设计与选择

混凝土预制板护坡采用六角形板，边长0.3 cm，护坡厚度t计算公式(1)为：

(1)

式中：η为系数，取1.0，对装配式护面板取1.1；hp为累积频率为1%的波高，m；Lm为平均波长，m；b为沿坡向板长，取3.6 m；ρw为水的密度，取1.0 t/m3；ρc为板的密度，取2.4 t/m3；m为坡度系数，取2.5。 经计算t=0.117 m。

干砌块石护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形直径和质量、平均粒径、平均质量和厚度按下式(2)确定：

Q=0.85Q50=0.525ρkD3

(2)

式中：D为石块的换算球形直径，m；D50为石块的平均粒径，m；Kt为随坡率变化的系数；ρk为块石密度，取2.4 t/m3;hp为累积频率为5%的波高，m；Q为石块的质量，t；Q50为石块的平均质量，t。 其余符号意义同上，经计算t=0.26 m。

考虑施工要求，干砌块石护坡厚度需取0.35 m。

从单价方面来看，混凝土预制板护坡单价高于干砌块石护坡，但混凝土预制板护坡的施工质量易于控制，工程难度低，综合成本低，因此本工程推荐混凝土预制板护坡方案，板厚0.12 m，下设砂石垫层厚0.15 m。

4 结 语

以石洞水坝为例，通过对其上下坝线的工程地质条件进行比较分析综合判断出水库坝轴线选择的结果，坝轴线的选择应当充分考虑到工程建设的地质条件和建设所需资金等因素；在进行水库坝型选择时也需要对多方因素综合判断后再确定，石洞水库的坝型选择的是黏土心墙坝，具有节省施工成本的优势，在进行坝基处理后还应当根据工程的实际需求进行护坡的设计与测算，从而综合提高施工质量。