登封市水磨灣水庫(kù)壩型比選方案研究

張 藝，劉蘭勤，曹 捷

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州450016）

1 工程概況

水磨灣水庫(kù)位于河南省登封市石道鄉(xiāng)后河上，后河屬于淮河流域潁河一級(jí)支流。水磨灣水庫(kù)的工程任務(wù)是：以城鎮(zhèn)生活供水為主，兼顧灌溉、生態(tài)改善且具有一定防洪效益。水庫(kù)工程規(guī)模為?。?）型，最大壩高43.43 m，校核洪水位450.42 m，總庫(kù)容935萬(wàn)m3，正常蓄水位445.00 m，興利庫(kù)容546萬(wàn)m3。

2 水文地質(zhì)條件

工程場(chǎng)區(qū)氣溫在-15.1℃～40.5℃之間，多年平均氣溫14.2℃，相對(duì)濕度60%，年平均日照2275 h。多年平均風(fēng)速14.5 m/s，最大風(fēng)速20 m/s，根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，登封市多年平均降水量為664.2 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為960 mm，多年平均陸面蒸發(fā)量為500 mm，多年平均徑流深為125 mm。

擬建壩址屬丘陵區(qū)，河流兩岸山頂高程450 m～460 m，右岸山勢(shì)陡峭，左岸呈緩坡?tīng)钕嘟?。壩址處河床寬度約50 m。

場(chǎng)區(qū)地層巖性兩岸壩基均為黑云母斜長(zhǎng)花崗巖，兩岸山坡局部分布有第四系上更新統(tǒng)黃土狀重粉質(zhì)壤土，河槽分布有第四系全新統(tǒng)卵石層。

3 壩型比選

3.1 壩型初選

根據(jù)國(guó)內(nèi)外水庫(kù)修建經(jīng)驗(yàn)，混凝土拱壩對(duì)地形地質(zhì)條件要求較高，適合在河谷狹窄、山體雄厚的壩址處修筑。從本工程壩址處河道地形條件分析，壩址區(qū)河道形狀為“V”型，河道較寬，左右岸地形條件差異較大，因此，不適宜采用混凝土拱壩方案。

根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)的地形條件和地層結(jié)構(gòu)，壩基弱風(fēng)化花崗巖埋藏較淺，具備修建混凝土重力壩的條件；且壩址左岸為全風(fēng)化基巖，開(kāi)挖后可作為大壩填筑用料，工程場(chǎng)區(qū)交通便利，方便天然建筑材料運(yùn)輸，也適宜修建當(dāng)?shù)夭牧蠅?。綜上述分析，選擇碾壓混凝土重力壩和粘土心墻砂殼壩兩種壩型進(jìn)行方案比選。兩種比選方案主要特征指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 壩型比選方案主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.2 碾壓混凝土重力壩

通過(guò)計(jì)算波浪爬高，考慮安全超高，碾壓混凝土重力壩方案壩頂高程為451.43 m，壩頂寬度為6.0 m，大壩總長(zhǎng)381.0 m，建基面高程408.0 m。

碾壓混凝土重力壩方案共分為19個(gè)壩段，其中左岸1#～10#、右岸13#～19#為擋水壩段，河槽處11#、12#為溢流壩段。溢流壩段長(zhǎng)40 m，其中溢流面凈長(zhǎng)36 m，溢流面堰頂高程與正常蓄水位齊平，為445.5 m，下游坡度為1∶0.75，末端設(shè)半徑15 m的反弧挑流鼻坎。擋水壩段總長(zhǎng)341 m，上游面鉛直，在423.80 m以下設(shè)1∶0.15斜坡，下游壩坡1∶0.75，壩體材料采用碾壓混凝土。10#壩段底部布置放空排沙底孔，設(shè)計(jì)為有壓進(jìn)口，無(wú)壓洞身。10#壩段底部425.0 m處布置有引水管，采用壩內(nèi)埋管布置。為滿足施工期導(dǎo)流要求，在大壩13＃壩段設(shè)導(dǎo)流底孔。

在大壩內(nèi)413.0 m高程設(shè)置灌漿排水廊道，內(nèi)設(shè)觀測(cè)設(shè)施?；A(chǔ)采用帷幕灌漿防滲，滲流控制標(biāo)準(zhǔn)按不大于5 Lu控制。在大壩前踵、后趾處布設(shè)固結(jié)灌漿，梅花形布孔。

3.3 粘土心墻壩

粘土心墻砂殼壩方案由大壩、溢洪道、輸水洞等部位組成。

（1）大壩

大壩垂直于河槽布置，為粘土心墻砂殼壩，總長(zhǎng)423 m。根據(jù)波浪爬高和風(fēng)浪壅高計(jì)算，考慮安全超高后，壩頂高程為451.60 m，防浪墻頂高程452.80 m。壩頂采用瀝青混凝土路面，寬6 m。

大壩上游設(shè)4級(jí)邊坡，依次為1∶2.25、1∶2.50、1∶2.75、1∶2.75，采用22 cm厚C25混凝土連鎖塊防護(hù)；大壩下游設(shè)4級(jí)邊坡，依次為1∶2.00、1∶2.25、1∶2.50、1∶2.75，采用10 cm厚混凝土預(yù)制塊護(hù)坡。

粘土心墻頂部高程451.00 m，寬3.0 m，坡比為1∶0.5。采用大壩左岸溢洪道全風(fēng)化開(kāi)挖料填筑壩殼。

（2）溢洪道

溢洪道位于左岸，形式為無(wú)閘門控制的開(kāi)敞結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)445.71 m，堰頂高程445.50 m，過(guò)水?dāng)嗝鎯魧?0.0 m，最大挖深12.90 m。由進(jìn)口段、控制段、出口消能段等部位組成。

（3）輸水洞

輸水洞為布置在右岸，總長(zhǎng)364.5 m，由進(jìn)口段引渠、閘室，洞身和出口調(diào)流調(diào)壓閥室等部位組成。

進(jìn)口段包括50 m長(zhǎng)的引水渠段和12.50 m長(zhǎng)的新建啟閉塔，進(jìn)口設(shè)工作閘門和檢修門和攔污柵各一扇。

洞身段為有壓圓洞，最大輸水流量為7.2 m3/s，采用0.3 m厚C25鋼筋混凝土襯砌。

3.4 方案比較

對(duì)碾壓混凝土重力壩、粘土心墻砂殼壩兩種壩型方案從地形地質(zhì)條件、建筑物布置、施工條件、建筑材料、運(yùn)管要求和投資造價(jià)六個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

（1）地形、地質(zhì)條件

河槽段和右岸壩基弱-微風(fēng)化層埋深較淺，清基工作量不大；左岸部分大壩坐落于全風(fēng)化基巖，但該范圍大壩較低，平均高度5 m，對(duì)壩基承載力要求較小。根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件，壩址處基巖條件較好，具備修建重力壩的條件。

粘土心墻砂殼壩方案清基量較少，河床覆蓋層厚度很薄，基巖主要為黑云母斜長(zhǎng)花崗巖。溢洪道布置在大壩左岸，左壩肩山頂高程約460.9 m，巖石出露，需開(kāi)挖至445 m高程，開(kāi)挖深度較大。溢洪道開(kāi)挖得到的全風(fēng)化巖體可以作為大壩壩殼料進(jìn)行填筑，輸水洞布置在右壩肩。

根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)地形地質(zhì)條件，碾壓混凝土重力壩和粘土心墻砂殼壩方案均具備建壩條件。

（2）建筑物布置

碾壓混凝土重力壩方案通過(guò)設(shè)置溢流壩段，以宣泄上游洪水，結(jié)合大壩工程任務(wù)，在擋水壩段設(shè)置放空排沙底孔，無(wú)需單獨(dú)設(shè)置溢洪道、輸水洞等建筑物，整體布置更顯緊湊；粘土心墻砂殼壩方案建筑物布置較為分散，除大壩外，還需在左岸設(shè)置溢洪道，在右岸布設(shè)輸水洞，此外還需考慮施工導(dǎo)流的問(wèn)題，因此，在建筑物布置方面，碾壓混凝土重力壩優(yōu)于粘土心墻砂殼壩。

（3）工程施工條件及施工工期

相較常規(guī)混凝土壩而言，碾壓混凝土重力壩采用通倉(cāng)鋪筑碾壓，施工速度較快。施工導(dǎo)流方面，在壩體內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流底孔，從而減小圍堰的工程量，也無(wú)需單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)流洞，施工較為方便；粘土心墻砂殼壩方案心墻粘土需外購(gòu)，壩殼可利用溢洪道開(kāi)挖料填筑，大壩上游護(hù)坡、壩體砂殼、防滲心墻之間均需設(shè)置反濾料，相對(duì)均質(zhì)土壩而言，心墻壩壩體分區(qū)較復(fù)雜，各分區(qū)之間結(jié)合部位對(duì)施工質(zhì)量要求較高，如采用粘土心墻砂殼壩方案，需單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)流洞，從而增加施工導(dǎo)流工程量。

從施工條件方面看，碾壓混凝土重力壩方案優(yōu)于粘土心墻壩方案。

（4）建筑材料

碾壓混凝土重力壩方案需將開(kāi)挖料進(jìn)行二次加工、破碎，以滿足部分骨料要求，大部分骨料需外購(gòu)，水泥用量也較大，不利于環(huán)境保護(hù)，為減小水泥的散熱，還需大量添加粉煤灰；粘土心墻壩方案心墻需從土料場(chǎng)外購(gòu)，壩殼料可利用溢洪道開(kāi)挖料填筑，剩余壩殼料需外購(gòu)。

對(duì)比兩方案建筑材料方面，粘土心墻壩方案優(yōu)于碾壓混凝土重力壩方案。

（5）運(yùn)管要求

碾壓混凝土重力壩方案無(wú)溢洪道、輸水洞等單體建筑物，水庫(kù)泄洪采用無(wú)閘門控制的溢流壩段泄洪，無(wú)需過(guò)多的控制管理，運(yùn)行維護(hù)也較為簡(jiǎn)便；粘土心墻砂殼壩方案除大壩外，還有溢洪道、輸水洞等單體建筑物，且各建筑物之間距離也較遠(yuǎn)，整體布置不緊湊，運(yùn)行管理相對(duì)復(fù)雜。

對(duì)比兩方案運(yùn)管要求上，碾壓混凝土壩方案由于粘土心墻砂殼壩方案。

（6）投資造價(jià)

碾壓混凝土壩方案工程投資16720萬(wàn)元，征遷、水保、環(huán)保投資14807萬(wàn)元，總投資31527萬(wàn)元；粘土心墻壩方案工程投資17855萬(wàn)元，征遷、水保、環(huán)保投資15314萬(wàn)元，總投資33169萬(wàn)元。

投資造價(jià)對(duì)比，碾壓混凝土重力壩方案較粘土心墻壩方案節(jié)省1642萬(wàn)元。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地形和地質(zhì)、建筑物布置、施工條件、建筑材料、運(yùn)管要求和投資造價(jià)等方面進(jìn)行比較，碾壓混凝土重力壩方案在建筑物布置、施工條件、運(yùn)管要求、投資造價(jià)等方面均占優(yōu)，粘土心墻壩方案可利用溢洪道開(kāi)挖料筑壩，在建筑材料方面占優(yōu)，綜合考慮，認(rèn)為本工程中碾壓混凝土重力壩優(yōu)于粘土心墻壩。