谈水利枢纽工程坝型比选

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摘要:清水河水利枢纽工程位于云南省文山州，工程任务为以城乡生活和工业供水、农业灌溉为主，兼顾发电等综合利用。从地形地质条件、坝型特点、建筑材料、施工条件、工程投资等多方面详细分析介绍了工程坝型比选的设计思路。

关键词:水利枢纽;混凝土面板堆石坝;坝型比选

1工程概况

清水河水利枢纽工程位于云南省文山州清水江流域，工程任务以城乡生活和工业供水、农业灌溉为主，兼顾发电等综合利用。清水河水库总库容为1.26亿m3，设计供水量为9271万m3，灌溉面积23.2万亩。电站共装有3台机组，总装机容量为8.0MW，工程等别为Ⅱ等，规模为大(2)型。清水河水库大坝推荐坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高97.0m，属高坝。

2坝址区地形地质条件

2.1工程地形地质条件

南丘河在坝址区走向为NE15°～NE45°，在拟建坝轴线附近河道转弯，转角约30°。枯水期河宽6～10m，河水深0.5～1.5m。河谷多呈“V”型，左右岸山体雄厚，基本对称。左岸山顶高程1477.6m，右岸山顶高程1482.8m，两岸坡度一般为25°～38°。两岸零星发育阶地，河流切割深度160～170m。两岸植被发育，基岩零星出露。左岸发育略具规模的冲沟共4条，其中规模较大的冲沟1条，位于坝轴线下游约350m，其余均位于坝轴线附近上下游;右岸发育规模较大的冲沟1条，位于坝轴线上游约300m。坝址区出露的地层主要有三叠系中统版纳组上段和第四系，基岩岩性上部为三叠系中统版纳组泥岩夹泥质粉砂岩，属软岩～中硬岩，底部为灰岩夹泥质灰岩，属中硬岩～硬岩。第四系按成因可分为冲洪积物、坡残积物。冲洪积物岩性主要为砂砾石、碎块石，分布于冲沟河床及河漫滩，厚度0.3～4.1m。坡残积物岩性主要为粉土、粘土夹碎石，多分布在缓坡表部及坡脚，厚度变化较大，一般0.5～3.5m。坝址区泥岩、泥质粉砂岩在地表均呈强～全风化状态。两岸岩体顶部以强风化为主，河床以弱风化为主，左岸强风化带厚度12.2～28.5m，弱风化带厚度3.5～19.2m;右岸强风化带厚度17.3～36.8m，弱风化带厚度34.1～45.1m;河床弱风化带厚度9.5～10.5m。左岸岸坡大部分被覆盖层或全风化层覆盖，岩体卸荷现象不明显，推测水平卸荷深度小于10m;右岸岸坡在河谷底部大范围基岩出露，岸坡较左岸陡，卸荷现象较左岸明显，推测水平卸荷深度小于15m。坝址位于大法白向斜北西翼，在坝址处呈单斜构造，岩层产状:NE20～35°SE∠25°～60°，未发现较大规模的断层发育，主要的构造形迹为节理裂隙。

2.2天然建筑材料

初步选定坝址下游拉角村附近石炭系下统大唐组(C1d)及中统威宁组(C2w)灰至深灰色中～厚层灰岩或白云质灰岩作为工程所需石料，距上坝址距离约5km。该料场岩石质量较好，储量较丰富，易于开采，经过分析可满足混凝土坝的人工骨料和当地材料坝堆石料的需求。初选扭倮和以勒两处土料场，两土料场距坝址距离分别为11km和2.0km，两土料场均无直接进场道路，交通相对较差。经过判断，两土料场土料质量较好，满足筑坝要求，但储量不足。

3基本坝型选择

拱坝、重力坝、当地材料坝是3种基本比选坝型。坝址区河谷呈“V”型，左右岸山体雄厚，基本对称，但第四系全新统坡残积含碎石粘土分布厚度0.5～3.5m，且强风化层深厚。坝肩岩体抗变形能力较差，需采取工程措施，因此基本不具备建拱坝的地质条件。从地形地质角度来说，本坝址具有修建混凝土重力坝的条件。经过初步分析，修建90～100m的混凝土重力坝，坝基需要开挖至弱风化岩体中下部，左岸(岩性为深灰色灰岩夹灰黑色泥质灰岩)弱风化中下部岩体允许承载力为2.5～3.0MPa，抗剪断强度指标为:f'为0.7～0.75，C'为0.65～0.75MPa;右岸(岩性为粉砂岩夹泥岩)弱风化中下部岩体允许承载力为1.5～2.0MPa，抗剪断强度指标为:f'为0.6～0.65，C'为0.55～0.65MPa。坝基岩体强度软硬相间，抗剪强度不高，存在不均匀变形等问题;但从技术角度分析，采取一定的工程措施后修建重力坝是可行的。当地材料坝适应变形能力强，对基础要求低，能适应本工程地形地质条件;且坝址区石料储量丰富，质量较好，无论从石料储量和质量来说都能够满足堆石料筑坝的要求。因此，将当地材料坝坝型比选作为本阶段坝型方案选择的重点工作内容。

4坝型比选方案设计

下面对混凝土面板堆石坝、沥青混凝土心墙坝、碾压混凝土重力坝共3种方案进行比选，研究对象的正常蓄水位为1392.00m。

4.1混凝土面板堆石坝

大坝坝顶总长400.0m，坝顶高程1395.50m，防浪墙顶高程1396.70，坝顶宽度为10.0m，最大坝高97.00m，上游坝坡坡比1∶1.405。坝下游坡设宽9.0m的“之”字形上坝路，坡比8%，路间局部坡比为1∶1.4，则坝下游坡综合坡比为1∶1.95。上游采用钢筋混凝土面板、趾板和止水系统及防渗帷幕防渗。河床段趾板置于弱风化岩体下部，两岸及坝肩趾板置于强风化岩体中下部。趾板下设25锚杆，并进行固结灌浆和帷幕灌浆，帷幕灌浆深入相对不透水层(q=3Lu)以下5.0m。面板上游设上游铺盖区和盖重区，顶高程1333.50m，顶宽均为3.0m，向下部逐渐加厚。面板厚为0.40～0.68m，钢筋混凝土结构。面板下游设垫层区(水平厚度4.0m)、过渡区(水平厚度4.0m)、主堆石区、下游堆石区和堆石排水区，下游坝坡采用干砌石护砌。

4.2沥青混凝土心墙堆石坝

沥青混凝土心墙坝大坝坝顶长400m，坝顶高程1395.00m;防浪墙顶高程1396.20m;坝顶宽10.0m，最低建基面高程1308.00m，最大坝高87m，最大坝底宽度333m。沥青心墙顶高程1394.20m，心墙最低底高程1308.00m，心墙顶厚0.5m，底部厚1.0m。大坝上游坝坡设三级马道，高程为1372.60、1352.60、1334.90m，马道宽均为2m，1334.90m高程马道以上坝坡坡比1∶1.8，以下坝坡坡比为1∶2.0。下游马道结合上坝公路设置，马道宽8m，坝坡坡比为1∶1.75和1∶1.80。沥青混凝土心墙采用直心墙形式，沥青心墙顶部厚度0.5m，高程1375m以下厚度1.0m，底部2m处开始渐变，与混凝土基座(齿槽)相接处心墙加厚至1.5m。坝体从上游至下游依次分为上游护坡、上游堆石坝壳、上游过渡区、沥青混凝土心墙、下游过渡区、下游堆石坝壳Ⅰ区、下游堆石坝壳Ⅱ区和下游护坡。其中，上下游护坡均为干砌石护坡，厚0.5m;上下游过渡料区厚度均为3m，下游排水体末端设置排水棱体。沥青混凝土心墙底部设厚2.5m、顶宽4.5m的混凝土基座，心墙基座顶部位于强风化线以下，底部置于弱风化基岩上;基础底部设置防渗帷幕，帷幕灌浆深入相对不透水层(q=3Lu)以下5.0m。

4.3碾压混凝土重力坝

重力坝最低建基面高程为1302.0m，坝顶高程为1394.10m，最大坝高92.10m，防浪墙顶高程为1395.30m，坝顶宽度为10.0m。坝顶长度为379.5m，自左岸至右岸分18个坝段，溢流坝段长21.0m，布置在11号坝段。左岸挡水坝段长211.0m，右岸挡水坝段长147.5m。上游坝面高程1347.0m以上铅直，以下坡度为1∶0.2;下游坝面高程1382.1m以上铅直，以下坡度为1∶0.75。坝基岩体中节理裂隙较发育，为提高坝基岩体的整体性和抗变形能力，需对坝基岩体进行固结灌浆处理。坝踵、坝址部位固结灌浆孔深8.0m，坝断面中间部位孔深5.0m，间排距均为3.0m。坝基防渗帷幕设计标准定为3Lu。帷幕设计为2排，孔距2.0m，排距1.0m，帷幕孔深入坝基3Lu线以下5m，平均深度约45m。

5坝型选择

5.1当地材料坝坝型选择

两种坝型地形地质条件相同，工程布置、运行管理基本相同，因此主要从建筑材料、施工及工程投资上进行比较。面板坝坝体结构简单，工序间干扰少，便于机械化施工，施工进度快，堆石体是施工控制工期的主要因素，气候对面板堆石坝的施工影响很小。坝址区适宜筑坝石料储量及质量均满足要求，且运距在5km范围内。沥青混凝土心墙防渗效果好，心墙的骨料、沥青等原材料受外界气温、降雨影响小，施工方便。其缺点是沥青混凝土防渗心墙中沥青指标要求高，需外购特定地区产品，单价高，工程投资高。两种坝型坝体工程量有所差别，沥青混凝土心墙坝坝坡较缓，坝体填筑量大于面板堆石坝，但面板堆石坝混凝土和钢筋工程量较大。经计算，两坝型主体建筑工程可比投资分别为1.43亿元和1.85亿元，面板堆石坝投资节省0.42亿元，更为经济。综上比较可知，沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝两种坝型方案技术上均可行。混凝土面板堆石坝坝体结构简单，断面更小，可减少工程占地，工程运行管理方便，经济性较优;因此选定混凝土面板堆石坝作为当地材料坝推荐坝型。

5.2面板堆石坝方案与碾压混凝土重力坝方案

比选两种坝型技术上均可行，主要从地质条件建筑材料、施工条件、工程投资等方面进行综合比较。重力坝坝基岩体强度软硬相间，抗剪强度不高，存在不均匀变形等问题;但从技术角度分析，采取一定的工程措施后修建重力坝是可行的。面坝堆石坝对地质条件要求低，适应性强，趾板及主受力区处对地基要求稍高，其余部位仅需挖除覆盖层;因此从坝址地质条件来说修建面板堆石坝存在一定的优势。面板堆石坝的筑坝材料主要是堆石，根据地质勘查，距离坝址约5km的拉角料场灰岩料可满足作为堆石料筑坝的质量和储量要求，下游干燥区可利用部分溢洪道、厂房、隧洞等建筑物开挖料筑坝。混凝土用量较少，可减少坝体材料耗能。碾压混凝土重力坝方案的筑坝材料是碾压混凝土，要求较高，用量较大。根据地质勘查，拉角料场灰岩料可满足作为混凝土骨料的质量和储量要求，但水泥、粉煤灰等胶凝材料需外购，外购材料用量多。现场需修建较大规模的砂石料生产系统和混凝土拌合系统。混凝土面板堆石坝方案工程部分可比投资为5.03亿元，碾压混凝土重力坝为5.81亿元。面板堆石坝方案较碾压混凝土重力坝少0.78亿元，混凝土面板堆石坝方案的经济性较优。

5.3选定坝型

经比较，沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝方案和碾压混凝土重力坝3种坝型方案各有优缺点，技术上均可行。混凝土面板堆石坝能充分利用当地材料，坝体结构简单，可减少工程占地，运行管理方便，经济性较优;因此选定混凝土面板堆石坝作为推荐坝型。

6结语

坝型比选决定着工程的方案、投资，在大坝设计过程中起着关键性作用。本文从地形地质条件、坝型特点、建筑材料、施工条件、工程投资等多方面详细分析了本工程坝型比选的设计思路，在保证安全的同时，有利于加快施工进度、节约投资，对未来类似工程具有积极意义。

作者：张龍天 李娅 单位：中水北方勘测设计研究有限责任公司