虹乙水庫壩型設(shè)計(jì)方案比選

趙云雷

（長治市水利建設(shè)投資管理中心，山西 長治 046000）

1 工程概況

虹乙水庫位于平順縣虹梯關(guān)鄉(xiāng)槐樹坪村，濁漳河二級支流芣蘭巖河上，壩址以上控制流域面積為253 km2，多年平均徑流量953.8萬m3，設(shè)計(jì)總庫容212.7萬m3，屬?。ㄒ唬┬退畮?。水庫建設(shè)任務(wù)是以農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)及工業(yè)供水為主，兼顧旅游，主要為虹梯關(guān)鄉(xiāng)6200余人、333．33 hm2耕地和經(jīng)濟(jì)林及工礦企業(yè)提供生活、灌溉和工業(yè)用水，設(shè)計(jì)年供水量為340.4 萬m3。

通過對虹乙水庫地質(zhì)勘查可知，水庫壩址區(qū)為狹窄對稱河谷，兩岸陡峭、巖石出露，出于建設(shè)成本和安全考慮，大壩壩型選擇成為工程設(shè)計(jì)的核心問題。

2 樞紐工程選址對壩型影響

芣蘭巖河又稱虹霓河、寺頭河，是露水河的一級支流，全長54 km，在山西境內(nèi)長47 km。河道在虹霓村至槐樹坪村形成長約2.5 km的峽谷地帶，兩岸岸坡陡立，河谷底寬20～70m，且兩岸山坡多基巖裸露，因此，將虹乙水庫樞紐工程選在該河段。

該段河道呈深“U”型，兩岸陡崖、陡坡基本對稱分布，從下至上有3道垂直陡崖及陡崖間陡坡組成，3道陡崖分別高約40m，20m，30m，崖頂高程分別為715．00～720．00m，735．00～750．00m，780．00～810．00m，在虹霓村口處有一滾水壩，滾水壩后為一陡坎，水流在陡坎處形成瀑布跌落河谷，瀑布高約55m。

上游河段（上壩址）虹霓村滾水壩下游約1700m處河谷狹窄對稱，兩岸陡峭、巖石出露，壩址區(qū)無斷層通過，兩岸卸荷裂隙有發(fā)育，巖體相對較完整，地形地質(zhì)條件比較適合混凝土拱壩、重力壩，泄洪、排沙及取水建筑物可與大壩整體布置，泄洪、排沙效果有保證；水庫正常蓄水位較高，有利于提高自流灌溉面積；大壩總體工程量較小，總體投資較省。但河谷狹窄，泄洪排沙、取水建筑物布置受到限制，在施工組織、質(zhì)量控制等方面技術(shù)難度較大。

下游河段（下壩址）距滾水壩約1880m處河谷相對上游較開闊，適宜壩型為混凝土重力壩，泄洪、排沙及取水建筑物可與大壩整體布置，泄洪、排沙效果有保證；泄洪排沙、取水建筑物布置相對便利。但大壩工程量大，總體投資較大。

經(jīng)綜合比較，兩壩址地質(zhì)條件相近，工程規(guī)模相同，從主體工程投資來看，上壩址投資較少，確定上壩址為推薦壩址。

3 工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)地層為單斜構(gòu)造，各巖層呈整合接觸，巖層傾角平緩，呈水平狀。兩壩肩下部均為近垂直的陡崖，上部為陡坡，兩側(cè)地形基本呈均勻?qū)ΨQ狀，出露地層均為中厚層狀石英砂巖夾薄層粉砂質(zhì)頁巖，巨厚層狀石英砂巖，巖層產(chǎn)狀呈近水平狀，略傾向左岸；兩岸發(fā)育較多順河床向的卸荷裂隙，近垂直狀；左壩肩陡崖中不存在無傾向河道的緩傾角裂隙面，斜坡中鉆孔揭露弱風(fēng)化基巖層厚約11.8m，推測陡崖部位弱風(fēng)化基巖層厚6～10m，自然岸坡和開挖切坡較穩(wěn)定；右壩肩地質(zhì)條件與左壩肩基本相同，但右岸巖層略傾向河道，巖層中軟弱夾層可能存在軟化現(xiàn)象，受擾動(dòng)時(shí)巖塊可能會(huì)沿卸荷裂隙及粉砂質(zhì)頁巖層面產(chǎn)生滑移，易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。壩基基巖主要為中厚層狀石英砂巖，局部夾薄層粉砂質(zhì)頁巖，上部弱風(fēng)化巖體中裂隙較發(fā)育，巖體完整性差，下部微風(fēng)化巖體較完整。覆蓋層厚約10.5m，為砂卵石層。壩基抗滑穩(wěn)定主要受粉砂質(zhì)頁巖夾層層面控制，其各力學(xué)參數(shù)較低，壩基抗滑穩(wěn)定較差，壩基可能會(huì)沿粉砂質(zhì)夾層層面產(chǎn)生滑移。

4 壩型比選

4.1 樞紐布置方案

根據(jù)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等條件，經(jīng)綜合分析，由于河谷較狹窄，且兩岸陡立，壩外布置泄洪建筑物難度較大，成本過高，不具備修建堆石壩條件。壩址區(qū)附近有豐富的石料及砂礫石料，主要成分為灰?guī)r、石英砂巖，其中灰?guī)r約占90%，具有較好的砂石料場，且料場距壩址區(qū)僅約1.0 km，能夠滿足混凝土壩砂石料需求。從泄洪建筑物布置條件來看，由于壩址河谷寬僅25m，局限于河谷地形條件，泄洪建筑物宜與樞紐工程結(jié)合布置，適宜布置混凝土溢流壩。為此，選擇拱壩和混凝土重力壩兩種方案重點(diǎn)對擋水建筑物、泄洪建筑物的工程布置和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較。

4.1.1 拱壩方案

根據(jù)工程地質(zhì)情況，兩壩肩作為雙曲拱壩壩肩時(shí)穩(wěn)定性較差。因此，拱壩方案擬選用混凝土重力拱壩方案。大壩由非溢流壩段、溢流壩段、泄洪排沙孔、取水口等組成。采用6拱券5不等段設(shè)計(jì)，從上而下每段高度分別為 10m，10m，10m，10m，11m。每層拱券弦長68.4m，60.2m，55.6m，49.4m，45.6m。拱壩中心線與河道中心一致，壩基高程668.00m，壩頂高程729.00m，最大壩高61m。下游拱券平面采用左右岸同半徑的單圓心圓弧拱，中心角度96°，外半徑41.1m，壩頂厚度5m，壩底厚度20m，厚高比0.33，屬中厚拱壩。

溢流壩段位于河床位置，分3孔布置，堰頂高程722.36m，溢流壩曲線采用WES型冪曲線，不設(shè)閘門。

泄洪排沙孔位于溢流壩段，進(jìn)口高程692.00m，2孔布置，孔口尺寸2.0m×2.0m。進(jìn)口段設(shè)橢圓進(jìn)口及漸變段，設(shè)弧形工作閘門，閘門半徑3.625m。

取水口進(jìn)口高程710．00m，位于左側(cè)非溢流壩段，采用壩式進(jìn)水口，進(jìn)水口孔口尺寸1.0m×1.0m?？卓谇霸O(shè)攔污柵，攔污柵裝在上游壩面的支撐結(jié)構(gòu)上，檢修閘門為1.2m×1.2m的鋼平板閘門，位于壩體內(nèi)。漸變段長度2m，側(cè)面擴(kuò)散角7°，在壩后采用直徑500 mm的鋼管沿710．00m等高線順延而下，與灌溉管道相連。

大壩左岸公路現(xiàn)已通至芣蘭巖村，故從左岸壩頂布置3.0 km公路至芣蘭巖村作為上壩公路。

4.1.2 混凝土重力壩方案

壩頂長95m，壩頂高程729.30m，最大壩高60m，壩頂寬4m，由非溢流壩段、溢流壩段、底孔壩段等組成。

左岸非溢流壩段長43m，泄洪排沙底孔及取水孔位于該壩段。泄洪排沙孔進(jìn)口高程692.00m，單孔布置，中心線樁號0+040.4，孔口尺寸2m×2m；取水孔單孔布置，進(jìn)口高程709．00m，中心線樁號0+036，壩內(nèi)埋直徑500 mm的鋼管，垂直壩軸線布置，出大壩處設(shè)直徑500 mm的閥門。

溢流壩段長34m，堰頂高程722.36m，溢流凈寬30m，堰型為冪曲線，采用挑流消能。

4.1.3 樞紐布置方案比較

重力拱壩方案可充分利用當(dāng)?shù)刎S富的天然建筑材料，綜合拱壩突破地基礎(chǔ)承載力方面限制和重力壩對壩肩處理相對容易的優(yōu)勢，同時(shí)有利于減少工程量，降低成本，且建筑物外形美觀，結(jié)合當(dāng)?shù)芈糜伍_發(fā)，有較高的環(huán)境效益和社會(huì)效益。但拱壩施工難度大，曲面混凝土澆筑對模板制安精度要求較高，同時(shí)建筑物分布集中，施工組織安排難度較大，施工措施費(fèi)用較高。

混凝土重力壩方案可充分利用當(dāng)?shù)刎S富的天然建筑材料，壩肩處理難度不大，壩型單一，施工設(shè)備少，便于施工的總體安排。但混凝土重力壩對地基承載力要求較高，基礎(chǔ)開挖量大，基礎(chǔ)處理費(fèi)用較高；且壩體本身體量較大，比重力拱壩混凝土量增加約1/3，增加了工程投資。

4.1.4 主要技術(shù)指標(biāo)

兩種方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

表1 兩種方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

綜上所述，兩方案各有優(yōu)勢，技術(shù)上都比較成熟，但重力拱壩工程方案投資少于混凝土重力壩，且環(huán)境及社會(huì)效益優(yōu)于混凝土重力壩。

4.2 壩型選擇

地形地質(zhì)條件：壩址處的地形條件對于重力拱壩明顯優(yōu)于混凝土重力壩。在壩肩處理難度和投資方面，重力拱壩較混凝土重力壩難度大、投資多。壩基基巖完整性差，抗滑穩(wěn)定性較弱，在壩基處理上混凝土重力壩較重力拱壩處理難度及投資會(huì)有大幅增加。

工程布置條件：兩種壩型采用材料相同，均可充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?；樞紐工程建筑物布置條件略有不同，僅對施工難度稍有影響，對工程投資影響不大。

工程投資：重力拱壩投資為2940萬元，混凝土重力壩投資為4003萬元。

壩型選擇：從以上分析可以看出，重力拱壩除在對壩肩地質(zhì)條件的適應(yīng)性和處理難度及投資方面略有劣勢外，在其他方面均有較大優(yōu)勢，故推薦采用重力拱壩方案。

5 結(jié)論

虹乙水庫根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，充分考慮筑壩材料、運(yùn)輸條件、施工條件、建筑物布置、建設(shè)工期、工程造價(jià)等影響因素，經(jīng)過系統(tǒng)的技術(shù)分析論證和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用重力拱壩方案。