山西滹沱河坪上水庫(kù)壩型優(yōu)化分析

高 智

（山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004）

0 引言

坪上水庫(kù)位于山西省忻州市定襄縣境內(nèi)的滹沱河干流上，是山西省境內(nèi)滹沱河干流上唯一的控制性工程，控制流域面積11 996 km2，也是解決忻定盆地缺水的關(guān)鍵性工程。 該工程的主要供水區(qū)是忻州市中部的忻府區(qū)、定襄縣和原平市。 水庫(kù)壩址距定襄縣城約56 km，距忻府區(qū)約76 km。

大壩是該水利樞紐最重要的建筑物，在工程投資中所占比重較大, 合理選擇壩型不僅要考慮工程安全可靠性， 而且要盡量節(jié)約工程投資和方便施工。 根據(jù)推薦壩址處工程地質(zhì)條件、地形條件，該壩址不適合建拱壩， 適宜建設(shè)重力壩和當(dāng)?shù)夭牧蠅巍．?dāng)?shù)厝狈ν亮?，有豐富的石料，適宜的壩型為堆石壩或面板堆石壩，所以，擬定目前國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟且比較先進(jìn)的混凝土重力壩或混凝土面板堆石壩[1]。兩方案的泄水設(shè)施、提水工程、電站工程均相同，比較的重點(diǎn)是擋水建筑物、泄水建筑物的工程布置和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1 擬定兩方案的設(shè)計(jì)概況

1.1 混凝土重力壩方案

1.1.1 樞紐布置

混凝土重力壩由擋水壩段、溢流壩段和底孔壩段組成，另外還有壩身放水涵洞、壩后泵站、壩后電站等設(shè)施。

1.1.2 壩體設(shè)計(jì)

大壩擋水壩段采用混凝土重力式斷面，壩頂高程為681.00 m，壩頂寬16 m，大壩上游邊坡為1∶0.20，下游邊坡為1∶0.80。溢流壩段位于大壩中部，長(zhǎng)68 m，堰頂高程為671.00 m，采用WES 型實(shí)用堰。 底孔壩段分兩段，分別位于溢流壩段兩側(cè)，各長(zhǎng)26 m，壩頂總長(zhǎng)494 m， 最大壩高為111 m， 最大壩底寬度為104.51 m。

1.1.3 壩基處理

混凝土重力壩的基礎(chǔ)坐落在河床弱風(fēng)化基巖的下限，需將河床表層6～25 m 厚的松散沙卵石土層及強(qiáng)風(fēng)化層清除，再清除5 m 厚弱風(fēng)化基巖，并對(duì)壩基建基面進(jìn)行固結(jié)灌漿。 壩基防滲方式采用上、下游帷幕灌漿，其上游軸線位于壩軸線處，深度為基巖以下50.0 m；下游軸線與壩腳線相距10 m，深度為基巖以下30.0 m。

1.2 混凝土面板堆石壩方案

1.2.1 樞紐布置

混凝土面板堆石壩方案的樞紐工程包括擋水大壩、岸邊溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、壩后泵站、壩后電站等。 大壩采用碾壓堆石壩體、混凝土面板防滲，壩頂高程為683.00 m，壩頂長(zhǎng)443.40 m，最大壩高105m，最大壩底寬度298 m，上游壩坡為1∶1.4，下游壩坡為1∶1.3～1∶1.4，壩頂寬度為8 m。下游壩坡每隔20 m 高差設(shè)一條馬道，馬道寬2 m，共設(shè)4 條。 岸邊溢洪道設(shè)在大壩左岸岸坡上，寬72 m，總長(zhǎng)596.77 m，其中引渠段長(zhǎng)251.10 m。引渠段后的控制段設(shè)WES 型實(shí)用堰及閘門進(jìn)行控制，以下為泄槽段，出口采用挑流方式消能。 泄洪洞設(shè)在右岸山體內(nèi)，為圓形有壓隧洞，洞長(zhǎng)580 m，洞徑10 m。隧洞進(jìn)口設(shè)檢修閘門，出口設(shè)工作閘門，采用挑流方式消能。

1.2.2 壩體設(shè)計(jì)

大壩壩體分區(qū)主要由墊層、過(guò)渡層、主堆石I區(qū)、 主堆石Ⅱ區(qū)及大塊石區(qū)組成。 大壩壩頂高程為683.00 m，主堆石區(qū)頂部高程為680.00 m，壩頂設(shè)鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程為684.20 m，墻底與主堆石區(qū)頂齊平?；炷练罎B面板頂高程為680.00 m，與壩頂防浪墻相接， 頂部厚度0.60 m， 底部與趾板鉸接，厚度0.60 m。 面板最大斜長(zhǎng)176 m，設(shè)縱向縫及周邊縫。 縱向縫又分為靠近岸邊的張拉縫和靠近主河床的擠壓縫，分縫均進(jìn)行止水處理。 為防止產(chǎn)生表面溫度應(yīng)力，在面板表面配有單層雙向分布筋。

1.2.3 壩基處理

混凝土面板堆石壩的基礎(chǔ)坐落在河床強(qiáng)風(fēng)化基巖的中部，需將河床表層6～25 m 厚的松散沙卵石土層清除，然后清除2 m 厚強(qiáng)風(fēng)化層，再筑壩。 趾板置于強(qiáng)風(fēng)化層下限，即全部挖除上層高壓縮性松散沙卵石土層和5 m 厚強(qiáng)風(fēng)化層，采用大體積的混凝土趾板，以保證壩坡上游混凝土面板的穩(wěn)定。 趾板寬5.00 m，厚0.80 m，沿壩趾布置，全長(zhǎng)650 m。 壩基防滲處理采用帷幕灌漿，深度為基巖內(nèi)50 m，采用單排孔， 孔距2 m。 帷幕灌漿軸線位于混凝土趾板下。

2 兩種方案主要工程量及技術(shù)指標(biāo)比較

2.1 主要工程量比較

為使設(shè)計(jì)方案更加合理，對(duì)不同壩型方案工程的主要工程量及投資進(jìn)行了比較（不包括供水和電站的工程量），其主要工程量如表1 所示。

表1 兩種方案主要工程量比較表Table 1 Comparison of two proposal's main engineering quantity

從表1 可以看出，面板堆石壩方案的土石方工程量遠(yuǎn)大于混凝土重力壩方案，但混凝土及鋼筋混凝土量小于混凝土重力壩方案。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

不同壩型方案樞紐工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

從表2 可以看出， 兩種方案的庫(kù)容條件及總供水量相近，但就工程總投資而言，混凝土面板堆石壩比混凝土重力壩約節(jié)省1.4 億元。

表2 兩種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表Table 2 Comparison of two proposal's technique economics index

3 兩種壩型優(yōu)化比較

兩種壩型，混凝土面板堆石壩建在強(qiáng)風(fēng)化基巖中部，壩軸線長(zhǎng)度為443.40 m，混凝土重力壩建在弱風(fēng)化基巖下限上，壩軸線長(zhǎng)度494.00 m。

3.1 混凝土重力壩

混凝土重力壩建在基巖上，壩體為現(xiàn)澆混凝土，其強(qiáng)度高、耐久性好，因而大壩抵抗水的滲漏、抗御超標(biāo)準(zhǔn)洪水及抗震能力都比較強(qiáng)， 是一種安全度較高的壩型。 混凝土重力壩可以將泄洪、沖沙建筑物與大壩相結(jié)合布置，水庫(kù)建成后，壩體維護(hù)、維修工作量小，同時(shí)施工速度快，水泥用量少，水泥水化熱低，投資較省。 其主要缺點(diǎn)是河床覆蓋層開(kāi)挖工作量大，但在目前鏟、挖、運(yùn)機(jī)械大型化，以及壩基混凝土碾壓填筑快速化的情況下，上述情況已不是影響這一壩型的主要因素[2]。

3.2 混凝土面板堆石壩

當(dāng)壩址附近有較豐富的石料和混凝土骨料時(shí)，應(yīng)首先考慮建混凝土面板堆石壩?；炷撩姘宓闹喊逡笥休^高的穩(wěn)定性， 所以對(duì)壩基的要求很高，趾板基礎(chǔ)必須建在較好的基巖上。 為減少壩體沉降，要求壩體填筑密實(shí)度高，堆石填筑必須采用振動(dòng)碾碾壓，筑壩堆石料強(qiáng)度高、級(jí)配好，以使壩體斷面小、穩(wěn)定性較好[2]。

該壩型的特點(diǎn)為：（1）在水庫(kù)水壓力作用下有很高的抵抗能力，抗地震能力強(qiáng)，壩體填筑時(shí)可同時(shí)進(jìn)行趾板及防滲帷幕的施工。 （2）大壩主體是堆石料，可在冬季、雨季施工。（3）面板施工技術(shù)要求高。（4）適合于水位迅速降落和變化幅度大的水庫(kù)，因?yàn)樵谶@種條件下，壩坡的穩(wěn)定性不會(huì)降低。 （5）壩滲漏量小，面板與防浪墻易連接，但不利于與泄水建筑物或其他非土質(zhì)建筑物的連接[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，兩種方案的泵站座數(shù)、裝機(jī)臺(tái)數(shù)、裝機(jī)容量完全一致。 面板堆石壩方案的土石方工程量遠(yuǎn)大于混凝土重力壩方案，但混凝土及鋼筋混凝土量小于混凝土重力壩方案。 兩方案庫(kù)容條件相同，投資相差較大。 因此，在相同庫(kù)容條件及相同供水量情況下，本著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的原則，混凝土面板堆石壩方案具有一定的優(yōu)越性，最終選定混凝土面板堆石壩方案。

[1] 紀(jì)云生.混凝土面板堆石壩在我國(guó)的發(fā)展[J]. 水力發(fā)電，1989（10）：47-51.

[2] 岳春芳. 水利樞紐工程壩型優(yōu)選模型及其應(yīng)用研究[D]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2001.

[3] 李建偉. 豐坪水庫(kù)工程壩型選擇[J]. 云南水力發(fā)電，2003（S1）：29-32.