九龍?zhí)端畮?kù)主要建筑物選型方案比較

王成全

(南充市水旱災(zāi)害防御中心，四川 南充，637000)

1 工程概況

西充縣地處嘉陵江和涪江的分水嶺，城區(qū)無(wú)大的河流經(jīng)過(guò)，水資源十分匱乏，是一個(gè)嚴(yán)重的缺水性縣城，為解決制約當(dāng)?shù)匕l(fā)展的缺水問(wèn)題，擬修建九龍?zhí)端畮?kù)樞紐工程。根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r以及區(qū)域水利設(shè)施情況，確定九龍?zhí)端畮?kù)工程的主要開發(fā)任務(wù)是以城鎮(zhèn)供水為主，兼有部分防洪作用的中型水庫(kù)。通過(guò)項(xiàng)目建設(shè)，可保證西充縣城市工業(yè)及生活用水，解決常林、多扶及附近村鎮(zhèn)的人畜飲水問(wèn)題。由于水庫(kù)自身集雨面積較小，九龍?zhí)端畮?kù)水源主要依靠附近的升鐘水庫(kù)西南分干渠向庫(kù)內(nèi)補(bǔ)水(規(guī)劃修建的西南分干渠預(yù)留此功能)，只需在西南分干渠上增設(shè)節(jié)制閘和分水閘，待升鐘灌區(qū)灌溉初期和末期分別為水庫(kù)補(bǔ)水，以滿足水庫(kù)用水需要。經(jīng)論證，汛期可將渠道上的節(jié)制閘關(guān)閉，打開泄水閘，將渠道內(nèi)的全部洪水引入水庫(kù)，不僅有利于渠道和西充縣城的防洪安全，而且還可利用當(dāng)?shù)貜搅餍钏行Ю盟Y源，還可減小升鐘水庫(kù)西南分干渠對(duì)西充縣城安全的威脅和原河道洪水對(duì)212國(guó)道沖毀的安全隱患。同時(shí)在西充縣城附近形成一個(gè)約90.5萬(wàn)m2的水域面積，可以改善局部區(qū)域生態(tài)，帶動(dòng)周邊社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

九龍?zhí)端畮?kù)是一座以城鎮(zhèn)供水為主，兼有部分防洪作用的中型水庫(kù)，水庫(kù)死水位由向縣城供水的抽水泵站最低吸水高程、水庫(kù)庫(kù)尾地面高程及水庫(kù)自身淤積等因素控制。根據(jù)縣城供水需求，為了盡量減小水庫(kù)死庫(kù)容，減少取水設(shè)施長(zhǎng)度，同時(shí)確保取水水質(zhì)等要求，經(jīng)分析比較后，確定水庫(kù)死水位為354.00m，相應(yīng)死庫(kù)容為166萬(wàn)m3。通過(guò)調(diào)洪計(jì)算，確定水庫(kù)正常水位372.7m、相應(yīng)庫(kù)容為1351.1萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位373.02m、相應(yīng)庫(kù)容為1388.4萬(wàn)m3，校核洪水位373.20m、總庫(kù)容為1395.9萬(wàn)m3。按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201)及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252)，九龍?zhí)端畮?kù)為中型水庫(kù)，樞紐工程等級(jí)為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇(p=2%)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用1000年一遇(p=0.1%)，消能防沖標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇(p=3.33﹪)。

2 水文地質(zhì)條件

九龍?zhí)端畮?kù)壩址所在河流為多扶河上游的二級(jí)支溝，控制集水面積1.73km2，主河道長(zhǎng)1.683km，河床平均比降25.5‰。庫(kù)區(qū)多年平均氣溫17.3℃，極端最高氣溫40.3℃，最低氣溫-3℃，多年平均降水量949.2mm，年最大降水量1343.4mm，年最小降水量458.8mm，多年平均蒸發(fā)量1078.1mm，多年平均風(fēng)速1.5m/s，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速18.4m/s。水庫(kù)工區(qū)位于川中盆地的淺丘地區(qū)，地處嘉陵江、涪江的脊骨地帶，屬于構(gòu)造剝蝕地貌和侵蝕堆積地貌。地質(zhì)整體較為穩(wěn)定，部分山脊、山頂、山口和陡坡風(fēng)化強(qiáng)烈，巖石強(qiáng)風(fēng)帶厚度8m～13m，弱風(fēng)化帶厚度8m～12m。在山谷或?qū)掗熎骄彽钠脚_(tái)上風(fēng)化作用相對(duì)降低，強(qiáng)風(fēng)化巖帶厚度3m～6m，弱風(fēng)化帶厚度為6m～8m。施工范圍內(nèi)表露以砂質(zhì)泥巖、薄層砂巖為主，砂質(zhì)泥巖為軟質(zhì)巖石，抗風(fēng)化能力弱，風(fēng)化帶較厚。區(qū)內(nèi)地下水均為潛水，按其賦存條件可分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。

水庫(kù)兩岸邊坡地形較陡，一般為25°～55°，庫(kù)岸均屬巖質(zhì)邊坡，邊坡巖石為J3P砂質(zhì)泥巖夾砂巖、泥質(zhì)粉砂巖薄層或透鏡體，受南充背斜的控制，兩岸巖層近于水平，庫(kù)盆主要為弱透水或相對(duì)隔水的砂質(zhì)泥巖夾砂巖、無(wú)產(chǎn)生溶洞、洞穴等集中滲漏通道的地質(zhì)條件，庫(kù)區(qū)無(wú)橫穿分水嶺或通向庫(kù)外的寬大斷層，綜合分析九龍?zhí)端畮?kù)庫(kù)區(qū)岸坡整體較為穩(wěn)定，水庫(kù)蓄水后不存在永久性滲漏問(wèn)題。

3 水庫(kù)選址

3.1 選址原則

水庫(kù)工程選址原則：(1)與工程功能相匹配，輸配水距離最短；(2)地形、地質(zhì)條件滿足建壩要求；(3)建筑材料豐富，運(yùn)距較近；(4)淹沒和占地拆遷較少；(5)工程建設(shè)對(duì)環(huán)境造成的不利影響較小；(6)有利于工程的建設(shè)管理；(7)工程投資較少。

3.2 水庫(kù)位置

根據(jù)以上原則，通過(guò)比較選定水庫(kù)樞紐位于西充縣晉城鎮(zhèn)境內(nèi)，縣城中心東南方向，多扶河上游張家溝和杜家溝出口處，大壩在西充縣城至南充方向2.5km處。該處地形、地質(zhì)條件滿足建壩要求，庫(kù)尾離縣城擬建自來(lái)水廠400m，升鐘水庫(kù)西南分干渠位于庫(kù)尾，引水方便。

3.3 壩軸線選擇及工程總布置[1-2]

根據(jù)地形地質(zhì)條件、工程供水需求及水工建筑物特點(diǎn)等要求，選擇擬定上、下兩壩址進(jìn)行樞紐布置方案比較，兩壩址相距約325m左右。根據(jù)地形地質(zhì)、水文等條件進(jìn)行比較，確定壩軸線位置。

(1)地形地質(zhì)條件。從選擇的兩個(gè)壩址的地形地質(zhì)條件看，上、下兩個(gè)壩址地質(zhì)條件相近均滿足建壩要求。從地形上看，上壩址主壩長(zhǎng)度雖比下壩址方案短，但上壩址左壩肩埡口地面較低，需修建143m長(zhǎng)的副壩，而下壩址方案建一個(gè)主壩就能滿足蓄水要求。

(2)水文條件：根據(jù)水文、水能計(jì)算成果，上壩址因庫(kù)區(qū)地形限制，水庫(kù)有效庫(kù)容不滿足供水要求，而下壩址多增加了一條支溝，同樣水位條件下，水庫(kù)庫(kù)容滿足供水要求，因此選定下壩址(大方案)作為九龍?zhí)端畮?kù)壩址。

4 主要建筑物選型比較

4.1 壩型選擇

大壩位于西充縣城至南充方向2.5km的晉城鎮(zhèn)五村龍門橋，距212國(guó)道約150m。從地形條件看，壩址河床較窄，岸坡地形變化不大，適合修建當(dāng)?shù)夭牧蠅?；從地質(zhì)條件看，當(dāng)?shù)夭牧蠈?duì)建壩基礎(chǔ)要求不高，可在強(qiáng)風(fēng)化地基上填筑，基礎(chǔ)開挖工程量較小。從當(dāng)?shù)夭牧戏植记闆r看，筑壩材料豐富，泥巖石渣料運(yùn)距0.8km～1.5km，粘土料運(yùn)距0.6km～1.3km，砂巖條塊石料運(yùn)距2.5km。本階段按就近原則，在庫(kù)區(qū)規(guī)劃了張家溝鼻梁山為大壩筑壩材料和防滲心墻料場(chǎng)；在張家溝溝底規(guī)劃了大壩防滲心墻土料場(chǎng)；壩下游規(guī)劃了潮音寺條塊石料場(chǎng)。根據(jù)地勘試驗(yàn)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)建議值，對(duì)不同壩型進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)根據(jù)地形、地質(zhì)和料場(chǎng)分布情況，作了粘土心墻石渣壩、泥巖均質(zhì)壩和風(fēng)化泥巖心墻石渣壩三種壩型方案進(jìn)行比較[2-4]。水庫(kù)正常高水位372.7m，設(shè)計(jì)洪水位373.02m，校核洪水位373.20m。

(1)粘土心墻石渣壩[4]。根據(jù)地質(zhì)對(duì)料場(chǎng)勘察和對(duì)筑壩材料的試驗(yàn)成果分析，該壩型防滲體采用粘土料，防滲體頂寬4m，頂部高程374.4m，上下游坡度為1∶0.3。上游壩殼采用砂巖石渣料碾壓填筑，下游壩殼采用新鮮或弱風(fēng)化泥巖石渣料碾壓填筑。在上游壩殼料與心墻之間設(shè)3.5m厚的砂巖石渣反濾過(guò)渡層；防滲心墻與下游壩殼料之間設(shè)置3.5m厚的級(jí)配連續(xù)的石渣過(guò)渡區(qū)，排水棱體采用砂巖石渣料碾壓填筑。

所選料場(chǎng)均在水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)，水庫(kù)建成后將被庫(kù)水淹沒，不涉及占用和廢棄耕地問(wèn)題。根據(jù)鉆探和試驗(yàn)成果，料場(chǎng)材料質(zhì)量和儲(chǔ)量均能滿足筑壩要求。該大壩軸線長(zhǎng)301.0m，壩頂寬8.0m，壩頂高程374.60m，最大壩高53m，壩頂設(shè)1.0m高混凝土防浪墻。上游壩坡分為3級(jí)，壩坡自上而下坡比分別為1∶2.0、1∶2.4、1∶2.4；下游壩坡分為4級(jí)，壩坡自上而下坡比分別為1∶2.4、1∶2.6、1∶2.6和1∶2.0，最大壩底寬為236.36m。

(2)風(fēng)化泥巖心墻石渣壩。它的結(jié)構(gòu)與粘土心墻石渣壩相同，只是心墻采用風(fēng)化泥巖石渣料填筑，從地質(zhì)勘探和試驗(yàn)資料看，在庫(kù)區(qū)張家溝泥巖石渣料場(chǎng)有符合要求的石渣料。

(3)泥巖均質(zhì)壩。壩體填筑料均采用泥巖石渣，下游壩腳設(shè)砂巖塊石排水體，上游壩坡分為3級(jí)，壩坡自上而下分別為1∶2.8、1∶3.0、1∶3.2；下游壩坡分為4級(jí)，壩坡自上而下坡比分別為1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0、1∶2.0。該大壩軸線長(zhǎng)301.0m，壩頂寬9.0m，壩頂高程374.60m，最大壩高52.9m，壩頂設(shè)1.0m高混凝土防浪墻，最大壩底寬225.67m。

三種壩型上游均采用16cm厚的六邊形漿砌混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，護(hù)坡中設(shè)C20混凝土縱橫向網(wǎng)格梁，并設(shè)孔距為3m的排水孔。下游壩坡采用六邊形框格預(yù)制塊，中間植草皮護(hù)坡。三種壩型經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，粘土心墻壩與風(fēng)化泥巖心墻壩投資相差很小，而粘土心墻壩比泥巖均質(zhì)壩投資少2418.86萬(wàn)元，投資比較見表1。

表1 兩種壩型經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

根據(jù)本階段進(jìn)行的筑壩材料試驗(yàn)成果，采用泥巖做均質(zhì)壩的壩型，但試驗(yàn)檢測(cè)泥巖滲透系數(shù)較小，使得大壩在穩(wěn)定滲流和水庫(kù)水位降落期壩體浸潤(rùn)線較高，從而影響上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全，不利于大壩的安全運(yùn)行，經(jīng)穩(wěn)定計(jì)算，上下游平均壩坡需達(dá)到1∶3.0和1∶2.75，大大增加了該壩型的填筑工程量和工程投資。同時(shí)由于填筑工程量大，在填筑時(shí)要確保達(dá)到需要的滲透系數(shù)，要對(duì)開挖填筑料進(jìn)行嚴(yán)格的篩選控制，施工難度較大。

粘土心墻石渣壩和風(fēng)化泥巖心墻石渣壩，工程量和投資都很接近，兩種壩型施工難度也差不多，從料源情況看兩種心墻料都滿足要求。從心墻防滲效果看，粘土(滲透系數(shù)1×10-6cm/s)的防滲效果比風(fēng)化泥巖(滲透系數(shù)5×10-6cm/s)好，壩殼石渣料源滿足要求。經(jīng)綜合比較，本階段設(shè)計(jì)推薦粘土心墻石渣壩。

4.2 泄水建筑物選擇[2-5]

由于九龍?zhí)端畮?kù)集雨面積小，經(jīng)水文計(jì)算在設(shè)計(jì)、校核工況下，洪峰流量和洪水總量較小，洪水計(jì)算成果見表2。

表2 九龍?zhí)端畮?kù)設(shè)計(jì)洪水成果

因水庫(kù)洪峰流量和洪水總量較小，而該水庫(kù)又是囤蓄水庫(kù)，水資源寶貴，在確保工程安全的前提下，盡量減少棄水。為選擇經(jīng)濟(jì)合理的溢流寬度，擬定4m、5m和不設(shè)溢洪道三個(gè)方案進(jìn)行比較，在起調(diào)水位及溢洪方式都確定的情況下，隨著溢流寬度增加，溢洪能力加大，壩頂高程降低。溢洪道經(jīng)濟(jì)溢流方案計(jì)算成果見表3。

表3 溢洪道經(jīng)濟(jì)溢流方案比較

從比較結(jié)果看，不設(shè)溢洪道和設(shè)5m寬溢洪道相比，壩頂高程增加0.04m，工程投資卻減小112.77萬(wàn)元，同時(shí)庫(kù)容增加7.25萬(wàn)m3，可充分利用有限的水資源。在工程出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)可利用2號(hào)取水洞放水，以確保工程安全。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，確定九龍?zhí)端畮?kù)不設(shè)溢洪道方案[6]。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)九龍?zhí)端畮?kù)主要建筑比選分析，最后擬定壩型為粘土心墻碾壓石渣壩，最大壩高53.0m，壩頂寬度8m，壩軸線設(shè)計(jì)長(zhǎng)301m；不設(shè)溢洪道；引水明渠位于庫(kù)尾，與升鐘水庫(kù)西南分干渠接近垂直，長(zhǎng)235m，設(shè)計(jì)引水流量為4.7m3/s，西南分干渠上設(shè)節(jié)制閘和分水閘各一處；取水設(shè)施兩處，分別位于大壩右壩肩和庫(kù)尾左端，控制最大取水流量分別為2.0m3/s和1.5m3/s。水庫(kù)已按推薦方案建成并蓄水，通過(guò)幾年的運(yùn)行，壩體穩(wěn)定、滲流較小，已為西充縣生活供水近億m3。

綜上所述，水庫(kù)工程主要建筑物選型在水庫(kù)工程建筑物初步設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)非常重要的工作，要根據(jù)建壩地形地質(zhì)條件，充分論證主體工程布置方案以及壩型對(duì)壩基的適應(yīng)性能、對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻倪m應(yīng)能力、建筑材料的適用性、施工條件、工程安全性和工程投資等方面綜合比較，最終選擇適合本工程的最優(yōu)方案。通過(guò)對(duì)九龍?zhí)端畮?kù)主要建筑物的幾種方案分析研究，在經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)之后最終確定工程最優(yōu)方案。