坪底供水工程水庫(kù)樞紐總體布置方案比選

賈 斌

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 工程概況

坪底供水工程地處呂梁市石樓縣境內(nèi)黃河一級(jí)支流屈產(chǎn)河上，水庫(kù)壩址位于裴溝鄉(xiāng)坪底村下游約500 m，調(diào)蓄水池位于坪底水庫(kù)壩址上游約13 km的西衛(wèi)村以南。壩址距石樓縣22 km，距柳林縣70 km，現(xiàn)有柳石二級(jí)公路通過(guò)庫(kù)區(qū)和調(diào)蓄水池，與引水管線并行而下，交通運(yùn)輸條件較好。

坪底供水工程主要包括水庫(kù)樞紐、供水管道、調(diào)蓄水池3部分。樞紐建筑物主要由攔河混凝土重力壩和施工導(dǎo)流洞組成。攔河壩壩頂長(zhǎng)115.4 m，最大壩高31 m；供水管道正常工作狀態(tài)設(shè)計(jì)供水流量0.3 m3/s，管徑600 mm，供水線路總長(zhǎng)11.243 km；調(diào)蓄水池圍護(hù)壩采用均質(zhì)碾壓土壩，總庫(kù)容120萬(wàn)m3。

2 工程建設(shè)必要性

石樓縣水資源十分短缺，目前僅有部分地表水可供利用，但由于地高水低，且缺乏地表水控制工程，地表水開(kāi)發(fā)利用率極低，需水量與供水量之間存在很大缺口。加之供水能力不足，致使許多項(xiàng)目不能及時(shí)立項(xiàng)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，水資源的短缺已經(jīng)成為制約全縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

根據(jù)呂梁市第二次水資源評(píng)價(jià)成果，石樓縣多年平均水資源總量6 327萬(wàn)m3，其中河川徑流量為6 083萬(wàn)m3，地下水資源量為2 375萬(wàn)m3，重復(fù)利用量為2 131萬(wàn)m3，地下水可開(kāi)采量156萬(wàn)m3，平均年用水總量330萬(wàn)m3，僅占全縣水資源總量的5.2%左右。據(jù)目前工農(nóng)業(yè)情況分析，全縣缺水130萬(wàn)m3左右，主要是農(nóng)業(yè)缺水，由于沒(méi)有可靠的水源，導(dǎo)致全縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，很多外資企業(yè)無(wú)法投資，也使部分工礦企業(yè)的改、擴(kuò)建項(xiàng)目和新建項(xiàng)目不能實(shí)施，極大地影響了當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一些工礦企業(yè)的生產(chǎn)工藝達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，粉塵、有害氣體、廢水大量外泄，污染了空氣、水體，惡化了人類(lèi)的生存環(huán)境，損害了人們的身體健康。另外，部分地區(qū)生活用水實(shí)行定時(shí)、定點(diǎn)配額供水，嚴(yán)重影響了人們的正常生活。加之目前，石樓縣擬建2×600 MW燃煤電廠，該電廠建成后將每年上繳3億元利稅，大大加快全縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐，迫切需要新水源工程解決用水問(wèn)題。因此，水資源緊缺已嚴(yán)重制約了全縣的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，石樓縣應(yīng)在節(jié)水、治污的前提下，加快建設(shè)新的水源工程來(lái)推進(jìn)地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。屈產(chǎn)河流域洪災(zāi)較旱災(zāi)少，但大災(zāi)年份洪水災(zāi)害損失非常嚴(yán)重。目前，屈產(chǎn)河沒(méi)有一座控制性工程，建設(shè)坪底水庫(kù)后可減緩屈產(chǎn)河干流洪水下泄過(guò)程，緩減下游沿河兩岸人民群眾的洪水危害，減輕洪水對(duì)黃河干流的壓力，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。綜上所述，興建坪底水庫(kù)是十分必要的。

3 工程等別和標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定及可行性研究報(bào)告審查意見(jiàn)，確定水庫(kù)為?。ㄒ唬┬退畮?kù)，工程等別為Ⅳ等。水庫(kù)大壩為4級(jí)建筑物，取水泵站、供水管道、調(diào)蓄水池等主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，導(dǎo)流洞等其他臨時(shí)建筑物按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。大壩的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用200年一遇；取水泵站為庫(kù)區(qū)取水，其洪水標(biāo)準(zhǔn)與水庫(kù)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)一致；供水管道工程按10年一遇洪水設(shè)計(jì)，30年一遇洪水校核；調(diào)蓄水池池身結(jié)構(gòu)為均質(zhì)碾壓土壩，按30年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核；地震基本烈度為Ⅵ度，工程設(shè)防烈度為6度。

4 水庫(kù)樞紐總體布置

4.1 壩址、壩軸線及壩型的比選方案

壩址確定：在工程可研階段，對(duì)屈產(chǎn)河的可能建壩河段，初步選定坪底村下游約500 m處的上壩址和坪底村下游約1.2 km處的下壩址兩個(gè)壩址進(jìn)行比選。壩址比選從上下壩址的地形、地質(zhì)條件，建筑物布置、施工條件及工程量、投資等多方面進(jìn)行了綜合比較，推薦采用上壩址方案。

壩軸線確定：圍繞可行性研究報(bào)告所確定的推薦壩址和壩軸線，初步設(shè)計(jì)工作一開(kāi)始就進(jìn)行了詳細(xì)查勘和測(cè)量定線工作，結(jié)合地形、地質(zhì)測(cè)量和勘探成果，分析比較認(rèn)為：壩軸線處河谷左岸下部為土質(zhì)岸坡，坡度較緩，發(fā)育Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)階地，階地覆蓋層總厚度20～60 m，壩基開(kāi)挖工程量較大；同時(shí)，在壩址左岸下游距壩軸線約200 m處，發(fā)育一條北北東向沖溝，而且三疊系二馬營(yíng)組砂巖由庫(kù)區(qū)連續(xù)分布至沖溝處，砂巖分布高程較正常蓄水位低，該砂巖為弱—中等透水性，為滲漏層位，水庫(kù)蓄水后壩前庫(kù)區(qū)左岸存在一定的滲漏問(wèn)題。另外，因壩址左岸下游沖溝距壩址較近，壩肩處岸坡三面臨空，左壩頭巖體抗力條件較差。為了減少壩基開(kāi)挖工程量、延長(zhǎng)左壩肩滲徑以及改善左壩頭巖體抗力條件，在初步設(shè)計(jì)階段將壩軸線向河道上游推移約80 m，調(diào)整后的壩軸線走向?yàn)镹49.7°E。

壩型確定：坪底水庫(kù)為屈產(chǎn)河干流上的骨干工程，屈產(chǎn)河洪水量大峰陡，本工程壩址處河谷狹窄，兩岸地形陡峻，無(wú)合適地形修建溢洪道，不具備建土石壩的條件。根據(jù)工程區(qū)料場(chǎng)調(diào)查資料，壩址區(qū)就近無(wú)合適的石料場(chǎng)，最近的料場(chǎng)運(yùn)距也較遠(yuǎn)；同時(shí)考慮到砌石施工速度較慢，漿砌石壩在該工程中不具備明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，坪底水庫(kù)壩型不適宜采用當(dāng)?shù)夭牧蠅?。在壩型比選的基礎(chǔ)上，本工程樞紐大壩壩長(zhǎng)較短、壩體工程量不大，從表孔、底孔泄流建筑物的布置對(duì)碾壓混凝土施工的影響等方面來(lái)看，碾壓混凝土重力壩通倉(cāng)澆筑、施工速度快的優(yōu)勢(shì)并不明顯；同時(shí)其對(duì)壩基處理要求相對(duì)較高，工程投資比混凝土重力壩略高。鑒于壩址區(qū)地形、地質(zhì)條件較能滿(mǎn)足修建混凝土重力壩的條件，并且混凝土重力壩施工較簡(jiǎn)單，對(duì)地基的要求較低、工程投資少且運(yùn)行安全，從而確定混凝土重力壩為本工程推薦壩型。

4.2 大壩泄洪方式及泄洪建筑物布置方案比選

大壩壩頂總長(zhǎng)115.4 m，壩頂高程837.0 m，最大壩高段建基面高程806.0 m，最大壩高31.0 m。坪底水庫(kù)樞紐工程主要由大壩及取水泵站等建筑物組成。在壩型、取水泵站及施工導(dǎo)流洞位置基本確定的前提下，主要針對(duì)大壩泄洪方式及泄洪建筑物布置進(jìn)行重點(diǎn)論證。對(duì)“溢流壩段6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”和“溢流壩段4孔溢流表孔＋3孔泄流底孔”兩個(gè)方案在大壩技術(shù)參數(shù)相同的情況下進(jìn)行比選。

4.2.1 方案一：“6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”

大壩由左、右岸擋水壩段和溢流壩段三部分組成。左岸擋水壩段長(zhǎng)23.4 m，右岸擋水壩段長(zhǎng)19.5 m。溢流壩段布置在兩岸擋水壩段中間，長(zhǎng)72.5 m。擋水壩段壩頂高程837.0 m，壩頂寬4.5 m，上游壩面為豎直面，下游壩坡坡比1∶0.75。溢流壩段共設(shè)6孔溢流表孔，孔口凈寬10 m，堰頂高程825.0 m，堰面曲線上游面采用三段圓弧，下游面采用WES冪曲線堰頂每孔設(shè)置檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)各1道。溢流堰下游設(shè)消力池進(jìn)行消能，消力池長(zhǎng)65.0 m，深3.0 m，消力池后設(shè)鉛絲石籠護(hù)底。溢流壩段設(shè)寬4.5 m的檢修工作橋與兩岸壩頂相通。

根據(jù)泄洪排沙的要求，設(shè)一有壓泄流底孔，底孔斷面尺寸4 m×4 m，進(jìn)口底板高程816.0 m。泄流底孔為壩身泄水孔，為矩形壓力短洞，全長(zhǎng)22.7 m，進(jìn)口段9.0 m，洞身段長(zhǎng)13.7 m，出口通過(guò)直線段和反弧段與溢流段消力池相連。泄流底孔進(jìn)口底板水平，頂部和側(cè)面采用1/4橢圓曲線；出口段頂板設(shè)置壓坡段，邊坡比1∶8。進(jìn)口前后設(shè)置檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)各1道，各閘門(mén)啟閉設(shè)備布置于閘門(mén)頂部啟閉機(jī)平臺(tái)上。檢修閘門(mén)孔口寬4.0 m，高4.5 m。工作閘門(mén)孔口寬4.0 m，高4.0 m。泄流底孔進(jìn)口底板高程816.00 m，檢修平臺(tái)高程832.00 m，啟閉機(jī)平臺(tái)高程838.80 m。

壩體采用C20混凝土，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W8，水位變動(dòng)區(qū)抗凍標(biāo)號(hào)F200，其他部位F150。溢流堰表面、導(dǎo)墻、閘墩采用C35抗磨蝕混凝土。大壩壩肩、壩基均座落于弱風(fēng)化中、下限，壩基巖石開(kāi)挖深度約4 m，兩壩肩巖石開(kāi)挖深度1.0 m。由于壩基和壩肩部分地段有一般節(jié)理裂隙發(fā)育，存在滲漏通道，故設(shè)計(jì)考慮沿壩長(zhǎng)設(shè)一道固結(jié)灌漿孔，孔深5.0 m，孔徑70 mm，孔距3.0 m；沿壩長(zhǎng)設(shè)一排帷幕灌漿孔，左、右兩岸壩頭外分別延伸15 m和13 m，孔深按進(jìn)入第二巖組泥巖2～3 m控制，孔徑60 mm，孔距2.0 m，總進(jìn)尺3 210 m，幕體透水率小于5 Lu，其后設(shè)排水孔。

4.2.2 方案二：“4孔溢流表孔＋3孔泄流底孔”

大壩壩頂總長(zhǎng)119.0 m，壩頂高程838.3 m，最大壩高段建基面高程806.0 m，最大壩高32.3 m。大壩由左、右岸擋水壩段和溢流壩段三部分組成。左岸擋水壩段長(zhǎng)22.3 m，右岸擋水壩段長(zhǎng)47.7 m。溢流壩段布置在兩岸擋水壩段中間，長(zhǎng)49.0 m。擋水壩段壩頂高程838.3 m，壩頂寬4.5 m，上游壩面為豎直面，下游壩坡坡比1∶0.75。溢流壩段共設(shè)4孔溢流表孔，孔口凈寬10 m，堰頂高程825.0 m，堰面曲線及堰頂閘門(mén)布置與方案一相同。

根據(jù)泄洪排沙的要求，設(shè)3孔有壓泄流底孔，底孔斷面尺寸5 m×5 m，進(jìn)口底板高程816.0 m。泄流底孔為壩身泄水孔，采用矩形壓力短洞，全長(zhǎng)22.7 m，進(jìn)口段9.0 m，洞身段長(zhǎng)13.7 m，出口通過(guò)直線段、反弧段與溢流段消力池相連。泄流底孔進(jìn)口底板水平，頂部和側(cè)面采用1/4橢圓曲線；出口段頂板設(shè)置壓坡段，邊坡比1∶8。泄流底孔進(jìn)口前后設(shè)置檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)各1道，各閘門(mén)啟閉設(shè)備布置于閘門(mén)頂部啟閉機(jī)平臺(tái)上。檢修閘門(mén)孔口寬5.0 m，高5.5 m。工作閘門(mén)孔口寬5.0 m，高5.0 m。泄流底孔進(jìn)口底板高程816 m，檢修平臺(tái)高程832 m，啟閉機(jī)平臺(tái)高程840.1 m。

壩體細(xì)部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)處理方式與方案一相同。

4.2.3 兩方案比較

通過(guò)對(duì)方案一和方案二在樞紐工程的布置上可以看出，由于泄流底孔的泄流能力低于表孔溢流堰的泄流能力，在壩軸線位置、水文條件、工程地質(zhì)條件、大壩泄洪能力完全相同的條件下，方案一校核洪水位為836.89 m，方案二校核洪水位為838.10 m。由于校核洪水位抬高，方案一在大壩總長(zhǎng)、壩高、壩體工程量、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍、工程投資等方面全部小于方案二，其優(yōu)勢(shì)明顯，故本階段設(shè)計(jì)選定方案一“溢流壩段6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”，將其作為樞紐工程布置的推薦方案。

5 結(jié)語(yǔ)

坪底供水工程是一項(xiàng)以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水為主的供水工程。通過(guò)對(duì)坪底水庫(kù)工程等別和標(biāo)準(zhǔn)以及水庫(kù)樞紐工程總體布置的情況分析，確定了壩址、壩軸線及壩型的施工方案，尤其是對(duì)泄洪建筑物的“溢流壩段6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”布置方案進(jìn)行重要論證與比選，從而為坪底水庫(kù)的開(kāi)工建設(shè)奠定施工基礎(chǔ)和技術(shù)保障。