吳家莊水庫壩址選擇研究

南江江

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司 山西太原 030024）

0 引言

吳家莊水庫是濁漳河干流上山西省境內(nèi)的最后一個控制性工程，控制流域面積9 410 km2，占山西省濁漳河流域面積的80.15%，可以調(diào)蓄濁漳河上游南源的漳澤水庫、西源的后灣水庫及北源的關(guān)河水庫三座大型水庫的棄水及區(qū)間徑流。水庫總庫容3.64 億m3，屬于大（2）型水利樞紐工程，是一座以防洪、供水、生態(tài)為主，兼顧灌溉、發(fā)電的綜合利用水庫。

水庫樞紐壩址的選擇受庫容條件、庫區(qū)滲漏，地形地質(zhì)條件、工程布置、淹沒指標及施工條件等因素的制約，還需盡量滿足水庫與供水區(qū)的相對位置及高程要求，使工程供水規(guī)模及經(jīng)濟效益盡可能得到充分發(fā)揮，故水庫壩址所選河段和壩址位置對工程的建設(shè)、安全運行和效益影響較大，在水庫樞紐前期論證工作中至關(guān)重要，需充分研究論證。河段劃分及水庫壩址位置見圖1。

圖1 河段劃分及水庫壩址位置示意圖

1 河段選擇

按照庫容條件、庫區(qū)滲漏情況、建壩的地形地質(zhì)條件、與供水區(qū)的相對位置等因素，將濁漳河干流山西境內(nèi)從上游到下游分為四個不同條件的河段，進行比較、分析、論證以確定適合建庫的河段。

1）第一河段：為襄垣縣合河口村至黎城縣前莊溝約10 km 長的河段，該河段上具有代表性的壩址為吳家莊壩址。吳家莊壩址處河槽寬380 m 左右，該段河道平均縱坡1/320，從地形和地質(zhì)條件上，屬于適合建壩的河道。在該河段建壩的主要制約因素是庫尾的巖溶滲漏問題，由于該河段河床高程789～758 m，河床較高，若滿足建設(shè)大型水庫的條件，水庫正常蓄水位以下的大部分庫容將處于庫尾的強滲漏區(qū)內(nèi)，會對水庫的蓄水、供水能力產(chǎn)生較大的影響，從而無法發(fā)揮其應(yīng)有的效益。因此，該河段不具備興建大型蓄水工程的條件。

2）第二河段：為黎城縣前莊溝至黎城縣上遙鄉(xiāng)約7 km 長的河段，該河段上具有代表性的壩址為前莊溝壩址、大寺壩址。該河段的河槽略寬于第一河段，最大寬度約410 m，最小寬度約290 m，河床高程約743～758 m，河道平均縱坡1/470。從該河段建壩的庫容條件來看，在庫尾強滲漏帶以下（即825 m 高程以下）的庫容基本能夠滿足要求；從該河段的地形、地質(zhì)條件來看，大多數(shù)河道內(nèi)均有厚度不等的覆蓋層，但沒有影響建壩的決定性因素。同時，該河段與水庫規(guī)劃供水區(qū)的距離、高差在各河段中是比較適中的，利于布置供水工程和降低供水成本。

3）第三河段：為黎城縣上遙鄉(xiāng)至潞城市辛安村約25 km 長的河段，該河段的河床寬度基本上都超過了1 km，明顯大于其它河段，最大寬度近2 km，河床高程約615～750 m，河道平均縱坡1/190，河道內(nèi)的河床和兩岸大都被厚度較大的黃土和砂卵石所覆蓋。由于河道寬度較大、覆蓋層較厚，使得建壩的工程量明顯大于其它河段。同時，隨著壩址的下移，水庫與供水區(qū)的距離和高差也較上游河段明顯增加。此外，還有長（治）邯（鄲）鐵路、長邯高速公路等重要交通設(shè)施從該河段穿過，對水庫壩址的選擇也有明顯影響。

4）第四河段：為潞城市辛安村至省界的平順縣馬塔村約43 km 的河段。該河段已進入了太行山峽谷之中，河道平均縱坡1/135，從該河段的地形、地質(zhì)條件來看屬于適合建壩的河道，但由于河道窄、坡度大，建庫的庫容條件較差，也存在壓辛安泉問題。同時，隨著壩址的下移，水庫與供水區(qū)的距離和高差較上游河段明顯增加，供水距離增加20～70 km，地形高差較第二河段增加150～300 m，總揚程達420～610 m。

綜合以上分析，第二河段從壩址地形地質(zhì)條件、庫區(qū)滲漏影響、與供水區(qū)的相對位置等因素綜合分析，較其它河段有著較明顯的優(yōu)勢，因此，選擇第二河段作為興建吳家莊水庫樞紐工程的河段。

2 壩址比較

吳家莊水庫的壩址一方面受庫區(qū)滲漏，地質(zhì)、地形條件等因素的制約，另一方面還要滿足水庫規(guī)劃對工程供水規(guī)模的要求。在第二河段內(nèi)，根據(jù)地形、地質(zhì)條件，選擇了前莊溝、大寺兩個壩址作為比選壩址進行了比較、分析、論證。兩壩址相距約2.6 km。

2.1 庫容條件

分析庫容條件的前提是：供水區(qū)缺水比較嚴重，要求吳家莊水庫提供盡量多的供水；從兩壩址建壩的經(jīng)濟合理性分析，在壩高基本相同的情況下，兩壩址的庫容相差不大。但由于前莊溝壩址蓄水位較高，受庫區(qū)滲漏的影響也大于大寺壩址，因此，為滿足供水規(guī)模的要求，需要前莊溝壩址的壩高、庫容都要大于大寺壩址。

根據(jù)以上條件對兩個壩址進行調(diào)節(jié)計算，在供水規(guī)模相近的情況下，前莊溝壩址的壩高為108.8 m，總庫容為4.48 億m3；大寺壩址的壩高為84 m，總庫容為3.64 億m3。

2.2 庫區(qū)滲漏情況

庫區(qū)可溶巖廣泛分布于濁漳河干流大河南村上游至庫尾，特別是由于庫尾濁漳河西南源、北源均屬懸托型河床，地下水位低于河水位8～175 m 左右，而且825 m 高程以上河道分布巖層均為奧陶系中統(tǒng)O2地層，從而在該高程以上形成了庫區(qū)巖溶滲漏的強滲漏區(qū)。因此，庫區(qū)滲漏的程度將直接影響到水庫建設(shè)的規(guī)模，是庫區(qū)最主要的工程地質(zhì)問題。

通過兩壩址的興利調(diào)節(jié)計算確定水庫多年平均規(guī)劃入庫徑流量為3.04 億m3，根據(jù)水庫規(guī)劃運行方案，通過對不同蓄水位庫區(qū)滲漏量的初步分析計算，當庫水位在825 m 及以下時，水庫年總滲漏量約占規(guī)劃入庫年平均徑流量的10%左右，屬于少量滲漏或微弱滲漏。當庫水位大于825 m 時，水庫年總滲漏量約占規(guī)劃入庫年平均徑流量的30%以上，庫區(qū)為中等至極嚴重滲漏。

從圖2 可以看出，當庫水位低于825 m 時曲線較緩，高于825 m 時曲線急劇變陡，即滲漏量增加較快，滲漏量很大，處理難度較大，建庫條件較差。

圖2 水庫水位-滲漏量關(guān)系曲線圖

由于兩壩址的河床高程相差約10 m 左右，在供水規(guī)模、庫容條件相近的情況下，前莊溝壩址的正常蓄水位高于大寺壩址，其受庫尾強滲漏區(qū)的影響程度也明顯大于大寺壩址。

2.3 地形地質(zhì)條件

大寺壩址河床高程744.5 m，兩岸地形較陡，坡度一般為35°～45°，河床縱向水力坡降3‰，河水位高程748 m，河谷底寬540 m，靠左側(cè)寬150 m 段全新統(tǒng)覆蓋層厚度2～4 m，右側(cè)發(fā)育古深槽，深槽內(nèi)基巖面以上上更新統(tǒng)厚度54～59.67 m。河谷左岸基巖裸露，右岸庫水位以下發(fā)育Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地，兩岸河流階地呈不對稱分布。

前莊溝壩址位于前莊溝口下游約300 m 處，河床高程753.7 m，河谷底寬260 m，靠左岸發(fā)育古深槽，深槽寬150 m，最深達60 m，深槽底部基巖面高程724.23 m，槽內(nèi)巖性為砂卵石夾黏性土層，砂卵石為級配不良礫。河谷右岸出露石英砂巖、石英巖狀砂巖，左岸發(fā)育Ⅱ、Ⅲ級河流階地，構(gòu)成左岸壩肩臺地，臺地上松散堆積物厚44～46 m，巖性上部為黏性土層，下部為砂卵石層。

兩壩址地層巖性均為石英砂巖，沖溝和階地河床分布第四系松散層。

兩壩址相距2.6 km，地層巖性及工程地質(zhì)條件相近，從地質(zhì)角度看，修建土石壩或土石壩與混凝土重力壩相結(jié)合的混合壩型均可行，但從古深槽的分布寬度、溢流壩段基巖出露情況、壩基抗滑穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定看，前莊溝壩址略優(yōu)于大寺壩址。

2.4 工程布置及施工條件

兩個壩址場地條件比較開闊，均易于布置工程建筑物。但大寺壩址由于發(fā)育河漫灘，其大壩長度比前莊溝壩址長200 m，壩基開挖工程量及壩體工程量均明顯大于前莊溝壩址。

大寺壩址處河床寬約540 m，采用混凝土面板砂礫石壩，需在岸邊布置導(dǎo)流泄洪洞和溢洪道。導(dǎo)流泄洪洞布置在大壩左岸，溢洪道布置在大壩右岸，其石方開挖量很大。其開挖料中一部分可利用為筑壩材料，經(jīng)開挖量和大壩填筑量的平衡分析，總體上還是經(jīng)濟的。

前莊溝壩址處河床寬約400 m，由于壩址兩岸布置岸邊溢洪道和導(dǎo)流泄洪洞的地形地質(zhì)條件較差，采用混凝土重力壩與混凝土面板砂礫石壩結(jié)合的混合壩型，并利用重力壩段布置泄洪底洞和溢流壩。根據(jù)所選壩型，大寺壩址采用全斷面圍堰進行施工導(dǎo)流，前莊溝壩址采用原河床和泄洪底洞進行分期導(dǎo)流。兩種方式各有特點，從施工條件看兩差異不大。但由于前莊溝壩址包括了混凝土壩段，其樞紐施工工期明顯比大寺壩址長。

根據(jù)供水區(qū)的位置，供水線路前莊溝壩址較大寺壩址增加了約2.6 km。

2.5 淹沒指標比較

兩壩址方案蓄水位進行的淹沒調(diào)查結(jié)果，大寺壩址淹沒范圍涉及黎城、襄垣的11 個村，淹沒人口2 976 人，淹沒耕地308.33 hm2；前莊溝壩址淹沒范圍涉及黎城、襄垣的11 個村，淹沒人口2 927 人，淹沒耕地321.80 hm2。兩個壩址淹沒指標相差不大。

2.6 投資比較

大寺和前莊溝兩壩址經(jīng)濟指標對比見表1。

表1 兩壩址技術(shù)經(jīng)濟指標對比表

3 壩址選擇

從表1 中可以看出，由于受庫區(qū)滲漏的影響，前莊溝壩址盡管將正常蓄水位增加至840 m，總庫容也明顯大于大寺壩址，但其供水能力卻小于大寺壩址。前莊溝壩址壩高比大寺壩址高20 余m，工程量較大且在北源和西南源庫尾各設(shè)1 座混凝土截滲隔離壩，其工程總投資比大寺壩址投資高7 億多元，單方供水量投資大38%。兩個壩址水庫淹沒指標相差不大。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟綜合比較分析，以大寺壩址作為吳家莊水庫的推薦壩址。

4 結(jié)語

水庫壩址的選擇對工程的建設(shè)和安全運行影響較大，是水庫樞紐設(shè)計的重中之重，壩址方案對節(jié)約工程投資、提高經(jīng)濟效益、縮短建設(shè)工期起到主導(dǎo)作用。水庫選址一般都受到壩址區(qū)的庫容條件、庫區(qū)滲漏情況、地形地質(zhì)條件、與供水區(qū)的相對位置、工程布置、施工條件、淹沒指標及工程投資等諸多因素的影響，不能單純以工程投資作為確定壩址的唯一條件，應(yīng)當綜合考慮上述多方面的影響因素，進行全面的分析論證，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟綜合比較后確定壩址方案。