談水利樞紐工程壩型比選
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摘要:清水河水利樞紐工程位于云南省文山州，工程任務(wù)為以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用。從地形地質(zhì)條件、壩型特點、建筑材料、施工條件、工程投資等多方面詳細(xì)分析介紹了工程壩型比選的設(shè)計思路。
關(guān)鍵詞:水利樞紐;混凝土面板堆石壩;壩型比選
1工程概況
清水河水利樞紐工程位于云南省文山州清水江流域，工程任務(wù)以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用。清水河水庫總庫容為1.26億m3，設(shè)計供水量為9271萬m3，灌溉面積23.2萬畝。電站共裝有3臺機組，總裝機容量為8.0MW，工程等別為Ⅱ等，規(guī)模為大(2)型。清水河水庫大壩推薦壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高97.0m，屬高壩。
2壩址區(qū)地形地質(zhì)條件
2.1工程地形地質(zhì)條件
南丘河在壩址區(qū)走向為NE15°～NE45°，在擬建壩軸線附近河道轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)角約30°?？菟诤訉?～10m，河水深0.5～1.5m。河谷多呈“V”型，左右岸山體雄厚，基本對稱。左岸山頂高程1477.6m，右岸山頂高程1482.8m，兩岸坡度一般為25°～38°。兩岸零星發(fā)育階地，河流切割深度160～170m。兩岸植被發(fā)育，基巖零星出露。左岸發(fā)育略具規(guī)模的沖溝共4條，其中規(guī)模較大的沖溝1條，位于壩軸線下游約350m，其余均位于壩軸線附近上下游;右岸發(fā)育規(guī)模較大的沖溝1條，位于壩軸線上游約300m。壩址區(qū)出露的地層主要有三疊系中統(tǒng)版納組上段和第四系，基巖巖性上部為三疊系中統(tǒng)版納組泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，屬軟巖～中硬巖，底部為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，屬中硬巖～硬巖。第四系按成因可分為沖洪積物、坡殘積物。沖洪積物巖性主要為砂礫石、碎塊石，分布于沖溝河床及河漫灘，厚度0.3～4.1m。坡殘積物巖性主要為粉土、粘土夾碎石，多分布在緩坡表部及坡腳，厚度變化較大，一般0.5～3.5m。壩址區(qū)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖在地表均呈強～全風(fēng)化狀態(tài)。兩岸巖體頂部以強風(fēng)化為主，河床以弱風(fēng)化為主，左岸強風(fēng)化帶厚度12.2～28.5m，弱風(fēng)化帶厚度3.5～19.2m;右岸強風(fēng)化帶厚度17.3～36.8m，弱風(fēng)化帶厚度34.1～45.1m;河床弱風(fēng)化帶厚度9.5～10.5m。左岸岸坡大部分被覆蓋層或全風(fēng)化層覆蓋，巖體卸荷現(xiàn)象不明顯，推測水平卸荷深度小于10m;右岸岸坡在河谷底部大范圍基巖出露，岸坡較左岸陡，卸荷現(xiàn)象較左岸明顯，推測水平卸荷深度小于15m。壩址位于大法白向斜北西翼，在壩址處呈單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀:NE20～35°SE∠25°～60°，未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的斷層發(fā)育，主要的構(gòu)造形跡為節(jié)理裂隙。
2.2天然建筑材料
初步選定壩址下游拉角村附近石炭系下統(tǒng)大唐組(C1d)及中統(tǒng)威寧組(C2w)灰至深灰色中～厚層灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r作為工程所需石料，距上壩址距離約5km。該料場巖石質(zhì)量較好，儲量較豐富，易于開采，經(jīng)過分析可滿足混凝土壩的人工骨料和當(dāng)?shù)夭牧蠅味咽系男枨?。初選扭倮和以勒兩處土料場，兩土料場距壩址距離分別為11km和2.0km，兩土料場均無直接進(jìn)場道路，交通相對較差。經(jīng)過判斷，兩土料場土料質(zhì)量較好，滿足筑壩要求，但儲量不足。
3基本壩型選擇
拱壩、重力壩、當(dāng)?shù)夭牧蠅问?種基本比選壩型。壩址區(qū)河谷呈“V”型，左右岸山體雄厚，基本對稱，但第四系全新統(tǒng)坡殘積含碎石粘土分布厚度0.5～3.5m，且強風(fēng)化層深厚。壩肩巖體抗變形能力較差，需采取工程措施，因此基本不具備建拱壩的地質(zhì)條件。從地形地質(zhì)角度來說，本壩址具有修建混凝土重力壩的條件。經(jīng)過初步分析，修建90～100m的混凝土重力壩，壩基需要開挖至弱風(fēng)化巖體中下部，左岸(巖性為深灰色灰?guī)r夾灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r)弱風(fēng)化中下部巖體允許承載力為2.5～3.0MPa，抗剪斷強度指標(biāo)為:f'為0.7～0.75，C'為0.65～0.75MPa;右岸(巖性為粉砂巖夾泥巖)弱風(fēng)化中下部巖體允許承載力為1.5～2.0MPa，抗剪斷強度指標(biāo)為:f'為0.6～0.65，C'為0.55～0.65MPa。壩基巖體強度軟硬相間，抗剪強度不高，存在不均勻變形等問題;但從技術(shù)角度分析，采取一定的工程措施后修建重力壩是可行的。當(dāng)?shù)夭牧蠅芜m應(yīng)變形能力強，對基礎(chǔ)要求低，能適應(yīng)本工程地形地質(zhì)條件;且壩址區(qū)石料儲量豐富，質(zhì)量較好，無論從石料儲量和質(zhì)量來說都能夠滿足堆石料筑壩的要求。因此，將當(dāng)?shù)夭牧蠅螇涡捅冗x作為本階段壩型方案選擇的重點工作內(nèi)容。
4壩型比選方案設(shè)計
下面對混凝土面板堆石壩、瀝青混凝土心墻壩、碾壓混凝土重力壩共3種方案進(jìn)行比選，研究對象的正常蓄水位為1392.00m。
4.1混凝土面板堆石壩
大壩壩頂總長400.0m，壩頂高程1395.50m，防浪墻頂高程1396.70，壩頂寬度為10.0m，最大壩高97.00m，上游壩坡坡比1∶1.405。壩下游坡設(shè)寬9.0m的“之”字形上壩路，坡比8%，路間局部坡比為1∶1.4，則壩下游坡綜合坡比為1∶1.95。上游采用鋼筋混凝土面板、趾板和止水系統(tǒng)及防滲帷幕防滲。河床段趾板置于弱風(fēng)化巖體下部，兩岸及壩肩趾板置于強風(fēng)化巖體中下部。趾板下設(shè)25錨桿，并進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，帷幕灌漿深入相對不透水層(q=3Lu)以下5.0m。面板上游設(shè)上游鋪蓋區(qū)和蓋重區(qū)，頂高程1333.50m，頂寬均為3.0m，向下部逐漸加厚。面板厚為0.40～0.68m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。面板下游設(shè)墊層區(qū)(水平厚度4.0m)、過渡區(qū)(水平厚度4.0m)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)和堆石排水區(qū)，下游壩坡采用干砌石護(hù)砌。
4.2瀝青混凝土心墻堆石壩
瀝青混凝土心墻壩大壩壩頂長400m，壩頂高程1395.00m;防浪墻頂高程1396.20m;壩頂寬10.0m，最低建基面高程1308.00m，最大壩高87m，最大壩底寬度333m。瀝青心墻頂高程1394.20m，心墻最低底高程1308.00m，心墻頂厚0.5m，底部厚1.0m。大壩上游壩坡設(shè)三級馬道，高程為1372.60、1352.60、1334.90m，馬道寬均為2m，1334.90m高程馬道以上壩坡坡比1∶1.8，以下壩坡坡比為1∶2.0。下游馬道結(jié)合上壩公路設(shè)置，馬道寬8m，壩坡坡比為1∶1.75和1∶1.80。瀝青混凝土心墻采用直心墻形式，瀝青心墻頂部厚度0.5m，高程1375m以下厚度1.0m，底部2m處開始漸變，與混凝土基座(齒槽)相接處心墻加厚至1.5m。壩體從上游至下游依次分為上游護(hù)坡、上游堆石壩殼、上游過渡區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游過渡區(qū)、下游堆石壩殼Ⅰ區(qū)、下游堆石壩殼Ⅱ區(qū)和下游護(hù)坡。其中，上下游護(hù)坡均為干砌石護(hù)坡，厚0.5m;上下游過渡料區(qū)厚度均為3m，下游排水體末端設(shè)置排水棱體。瀝青混凝土心墻底部設(shè)厚2.5m、頂寬4.5m的混凝土基座，心墻基座頂部位于強風(fēng)化線以下，底部置于弱風(fēng)化基巖上;基礎(chǔ)底部設(shè)置防滲帷幕，帷幕灌漿深入相對不透水層(q=3Lu)以下5.0m。
4.3碾壓混凝土重力壩
重力壩最低建基面高程為1302.0m，壩頂高程為1394.10m，最大壩高92.10m，防浪墻頂高程為1395.30m，壩頂寬度為10.0m。壩頂長度為379.5m，自左岸至右岸分18個壩段，溢流壩段長21.0m，布置在11號壩段。左岸擋水壩段長211.0m，右岸擋水壩段長147.5m。上游壩面高程1347.0m以上鉛直，以下坡度為1∶0.2;下游壩面高程1382.1m以上鉛直，以下坡度為1∶0.75。壩基巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，為提高壩基巖體的整體性和抗變形能力，需對壩基巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。壩踵、壩址部位固結(jié)灌漿孔深8.0m，壩斷面中間部位孔深5.0m，間排距均為3.0m。壩基防滲帷幕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)定為3Lu。帷幕設(shè)計為2排，孔距2.0m，排距1.0m，帷幕孔深入壩基3Lu線以下5m，平均深度約45m。
5壩型選擇
5.1當(dāng)?shù)夭牧蠅螇涡瓦x擇
兩種壩型地形地質(zhì)條件相同，工程布置、運行管理基本相同，因此主要從建筑材料、施工及工程投資上進(jìn)行比較。面板壩壩體結(jié)構(gòu)簡單，工序間干擾少，便于機械化施工，施工進(jìn)度快，堆石體是施工控制工期的主要因素，氣候?qū)γ姘宥咽瘔蔚氖┕び绊懞苄?。壩址區(qū)適宜筑壩石料儲量及質(zhì)量均滿足要求，且運距在5km范圍內(nèi)。瀝青混凝土心墻防滲效果好，心墻的骨料、瀝青等原材料受外界氣溫、降雨影響小，施工方便。其缺點是瀝青混凝土防滲心墻中瀝青指標(biāo)要求高，需外購特定地區(qū)產(chǎn)品，單價高，工程投資高。兩種壩型壩體工程量有所差別，瀝青混凝土心墻壩壩坡較緩，壩體填筑量大于面板堆石壩，但面板堆石壩混凝土和鋼筋工程量較大。經(jīng)計算，兩壩型主體建筑工程可比投資分別為1.43億元和1.85億元，面板堆石壩投資節(jié)省0.42億元，更為經(jīng)濟。綜上比較可知，瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩兩種壩型方案技術(shù)上均可行?；炷撩姘宥咽瘔螇误w結(jié)構(gòu)簡單，斷面更小，可減少工程占地，工程運行管理方便，經(jīng)濟性較優(yōu);因此選定混凝土面板堆石壩作為當(dāng)?shù)夭牧蠅瓮扑]壩型。
5.2面板堆石壩方案與碾壓混凝土重力壩方案
比選兩種壩型技術(shù)上均可行，主要從地質(zhì)條件建筑材料、施工條件、工程投資等方面進(jìn)行綜合比較。重力壩壩基巖體強度軟硬相間，抗剪強度不高，存在不均勻變形等問題;但從技術(shù)角度分析，采取一定的工程措施后修建重力壩是可行的。面壩堆石壩對地質(zhì)條件要求低，適應(yīng)性強，趾板及主受力區(qū)處對地基要求稍高，其余部位僅需挖除覆蓋層;因此從壩址地質(zhì)條件來說修建面板堆石壩存在一定的優(yōu)勢。面板堆石壩的筑壩材料主要是堆石，根據(jù)地質(zhì)勘查，距離壩址約5km的拉角料場灰?guī)r料可滿足作為堆石料筑壩的質(zhì)量和儲量要求，下游干燥區(qū)可利用部分溢洪道、廠房、隧洞等建筑物開挖料筑壩?；炷劣昧枯^少，可減少壩體材料耗能。碾壓混凝土重力壩方案的筑壩材料是碾壓混凝土，要求較高，用量較大。根據(jù)地質(zhì)勘查，拉角料場灰?guī)r料可滿足作為混凝土骨料的質(zhì)量和儲量要求，但水泥、粉煤灰等膠凝材料需外購，外購材料用量多?，F(xiàn)場需修建較大規(guī)模的砂石料生產(chǎn)系統(tǒng)和混凝土拌合系統(tǒng)。混凝土面板堆石壩方案工程部分可比投資為5.03億元，碾壓混凝土重力壩為5.81億元。面板堆石壩方案較碾壓混凝土重力壩少0.78億元，混凝土面板堆石壩方案的經(jīng)濟性較優(yōu)。
5.3選定壩型
經(jīng)比較，瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩方案和碾壓混凝土重力壩3種壩型方案各有優(yōu)缺點，技術(shù)上均可行?；炷撩姘宥咽瘔文艹浞掷卯?dāng)?shù)夭牧?，壩體結(jié)構(gòu)簡單，可減少工程占地，運行管理方便，經(jīng)濟性較優(yōu);因此選定混凝土面板堆石壩作為推薦壩型。
6結(jié)語
壩型比選決定著工程的方案、投資，在大壩設(shè)計過程中起著關(guān)鍵性作用。本文從地形地質(zhì)條件、壩型特點、建筑材料、施工條件、工程投資等多方面詳細(xì)分析了本工程壩型比選的設(shè)計思路，在保證安全的同時，有利于加快施工進(jìn)度、節(jié)約投資，對未來類似工程具有積極意義。
作者：張龍?zhí)?李婭 單位：中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司