开茂水库工程布置设计

杨光伟

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 工程概况

开茂水库工程位于四川省北川县安昌镇和永安镇，工程自苏宝河跨流域引水至何家沟，在何家沟兴建水库蓄水，主要由苏宝河取水枢纽、引水工程、水库枢纽、城市供水建筑、灌区渠系建筑等工程组成。开茂水库正常蓄水位为608.00m，总库容为2 453万m3。开茂水库的开发任务是向北川新县城及周边乡镇、安县县城生活供水和三个工业园区的生活、生产供水以及安江、安绵、安昌河灌区灌溉供水为主，兼顾灌区人畜供水要求。工程取水直灌区、控灌区幅员面积100.3km2，水库控灌区幅员面积175.2km2。设计灌溉面积0.695万hm2，渠系工程由安绵和安江干渠和8条支渠及1条补水支渠组成。

目前北川新县城主要采用地下水，远不能满足生产生活需水要求，兴建开茂水库工程是解决北川新县城、安县县城及周边乡镇供水、使灾民顺利过上安居生活的先决条件，是新北川灾后重建的重要组成部分。工程地处北川新县城附近，建成后对保障生产生活用水、改善新县城周边生态景观和建设好新北川发挥重要作用。

2 工程基本条件

2.1 水文泥沙

安昌河流域属中亚热带湿润季风气候区，干湿季节分明，多年平均年降水量为1 225.8 mm。安昌河系涪江的一级支流，发源于龙门山东麓，分为苏宝河和茶坪河两源，左源苏宝河发源于安县老庙子，干流全长约31.1km，流域面积约223km2，闸址控制集水面积188km2。何家沟系安昌河左岸一级支流，主源发源于安县鹰咀岩，干流全长6km，集水面积9.1km2，水库控制集水面积8.1km2。洪水主要由暴雨形成，该区暴雨具有雨量大、笼罩面小、历时短的特点，主雨峰历时一般在12小时以内。闸址引水入库悬移质年输沙量9.89万t，水库坝址悬移质年输沙量0.69万t，闸址推移质年平均输沙量2.39万t，坝址推移质约为0.207万t。

2.2 基本地质条件

坝址区出露的基岩地层为灰质砾岩、紫红色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。坝基河床覆盖层厚度5～10m，局部最厚达15m；两岸谷坡覆盖层厚约5～10m，右岸为逆向坡，层面对边坡稳定不具控制性，边坡现状整体稳定。

库址区岩溶受地层岩性及地质结构的控制库盆底部岩溶不发育，库周岩溶发育具一定区段性、呈层性和方向性，在分水岭地段发育垂直形态的落水洞，近沟谷的排泄区形成地下溶洞和水平管道。库区两岸地下水表现为向山脊两侧的沟谷排泄，坝段沟床因受非可溶岩层的阻隔，河面以下20m左右范围，仅发育有风化溶蚀裂隙，未见顺河方向的岩溶管道。

闸址区未发现规模较大的断层，以裂隙及层间挤压错动带为主。由于受地质历史时期强烈地质构造影响，地层内小型褶皱十分发育，地层产状变化大。闸址区两岸边坡稳定，闸基主要为砂卵砾石，满足承载及变形要求，具备修建低闸的工程地质条件。引水隧洞段穿越砾岩及泥质粉砂岩或泥岩地层，岩溶较发育，围岩类别以Ⅲ、Ⅳ为主。

输水干渠穿越的地层(第四系)主要为：全新统坡残积层(Q4dl+el)、全新统崩坡积层(Q4col+el)、全新统坡洪积层(Q4dl+pl)、全新统河流冲积层(Q4al)、中更新统Ⅲ、Ⅳ级阶地堆积、白垩系下统剑阁组及剑门关组、侏罗系上统莲花口组(J3l)。

工程区内没有区域性断裂通过，不具备发生中强地震的地震地质条件，地震危险性主要受龙门山地震带的波及影响。闸址区及引水明渠段地震动峰值加速度为160.8gal，何家沟囤蓄水库地震动峰值加速度为148.9gal，对应的地震基本烈度分别为Ⅶ度，灌渠输水线路地震动峰值加速度为0.1g。

3 枢纽布置设计

3.1 工程等别及洪水标准

根据规范规定，开茂水库工程和拦河取水工程均为Ⅲ等中型工程。其主要永久性建筑物为拦河闸坝、取水口、引水明渠及隧洞、开茂水库主坝及副坝、溢洪道、放空洞、城市供水隧洞按3级设计，次要建筑物按4级设计，临时建筑物按5级设计。

灌区工程为Ⅲ等(中型)工程，安绵和安江输水干渠渠首设计流量分别为2.43m3/s、1.82m3/s，灌排渠(沟)工程为5级，输(排)水渠道和渠系建筑物、次要及临时建筑物按5级设计，渠道上的高大、重点建筑物按4级建筑物设计。

按供水工程考虑，因闸高不大、取水流量较小、右岸滩地过流能力大以及无重要保护对象等因素，拦河水闸设计洪水重现期取20年，洪水流量1 180m3/s。校核洪水重现期取50年，洪水流量1 530m3/s，最大过闸流量627.18m3/s，其余从右岸滩地溢流。因控制集雨面积不大，水库枢纽建筑物设计洪水重现期取50年，洪水流量172m3/s，校核洪水重现期取1 000年，洪水流量295m3/s。消能防冲建筑物洪水重现期为30年，洪水流量152m3/s。灌区各级渠道工程建筑物防洪标准为10年一遇。

3.2 坝型选择

取水枢纽挡水不高，河流推移质多，根据地形地质条件和功能需要，采用闸坝型式。

水库坝区覆盖层成因、结构较复杂，沟床覆盖层厚度一般为5～10m，局部最厚为15m；左、右岸山脊顶部有高阶地堆积的亚粘土(或粘土)与亚粘土夹卵砾石或粘土夹卵砾石的互层，厚度约15～20m。分布于右岸坝肩Ⅲ级阶地平台的肖家窝凼料场防渗土料储量和质量满足要求。何家沟石料场及吴家河坝、东升河坝、温家河坝、红岩河坝、红旗河坝5个砂砾石料场的石料和砂砾石料储量和质量满足要求，根据坝址范围地形地质条件和建筑材料分布情况，适宜布置当地材料坝。

坝址河床部位覆盖层分层为粘土层和淤泥质软土层，厚度5～10m，局部最厚15m左右，淤泥质软土层厚2～7.5m，力学指标低，坝坡稳定分析表明，无论是面板坝还是心墙坝均需要把河床两层覆盖层清除。钢筋混凝土面板堆石坝可以减小坝体断面，坝体填筑工程量较少，但趾板对建基面要求较高，面板的造价比较高，导致心墙坝和面板坝投资接近；面板部位深基坑施工排水工程量大，基础处理、趾板施工紧张，施工代价较高，心墙坝投资稍低，面板坝面板受力状况复杂，心墙坝抗震性能较好，坝区防渗土料丰富，运距较近，综合考虑选择采用粘土心墙堆石坝。

3.3 主要建筑物布置设计

工程主要由苏宝河取水枢纽、引水建筑物、开茂水库建筑物和灌区建筑物四大部分组成。

3.3.1 取水枢纽

3.3.1.1 结构布置

闸址处主河槽靠左岸，根据河道地形条件和泄洪需要，在主河道上设置3孔泄洪闸，正常蓄水位622.00m，孔口尺寸为8m×3.5m(宽×高)，按尽量不改变原河道水、沙运动规律、顺畅排沙的原则，确定闸底板高程为619.00m。根据闸前最高水位、安全超高等因素确定闸坝顶高程为628.80m。取水口紧邻左侧泄洪闸侧向布置于闸前左岸(见图1)。

由于河床覆盖层较厚，闸基置于砂卵砾石层上。根据布置需要和结构稳定要求，闸室顺水流方向长度15m，3孔泄洪闸沿闸轴线总长为34m，最大闸高12.3m，为适应基础变形，每孔泄洪闸单独设为一个闸段。闸室上游设置混凝土水平铺盖，铺盖表面采用抗磨混凝土。取水口前设一道束水墙，以加强泄洪冲沙效果，束水墙与左侧的泄洪闸右闸墩相接，墙高6.5m。闸下游设斜坡式混凝土护坦，根据冲坑深度计算成果末端设6m深防冲齿槽。为过闸泥沙能够顺利排向下游，护坦与右岸滩地间设挡墙分隔，墙高5m。

3.3.1.2 右岸滩地疏浚整治

右岸为宽阔的河漫滩，一般高出河水位约4～6m，高于闸前正常挡水高程，为了弥补左岸修建3孔泄洪闸后对原河道行洪断面的影响，满足设计洪水工况下不会淹没右岸省道公路，需对右岸河漫滩进行疏浚整治。根据正常挡水需要及满足行洪能力要求确定开挖底高程为622.00m，顶面采用50cm、15m长的混凝土板对过流面进行防护，其上游10m和下游45m范围内采用50cm厚钢筋石笼对开挖面进行保护。最大下泄流速2.3m/s，超过了河床不冲流速，采用2m厚钢筋石笼护底和护闸墩边墙基础。

图1 取水枢纽平面布置示意

3.3.1.3 基础防渗处理

闸基第四系地层广布，厚度大、透水性强。根据闸基础及两岸渗透特性以及水工建筑物的布置情况，按满足基础渗透稳定、减小闸基及岸边绕坝渗漏量的原则进行防渗设计。闸基的防渗体系为水平防渗加垂直防渗方案，为满足一个枯期施工进度要求，闸基防渗墙布置在闸前铺盖下方，右岸滩地防渗采用垂直防渗方案。

闸基采用防渗铺盖结合混凝土防渗墙方案防渗，为控制闸基和右岸滩地渗漏量，采用悬挂式混凝土防渗墙防渗，右侧延伸至岸边公路外侧，墙顶高程与正常挡水高程相同，防渗墙最大深度为30m，防渗墙底线高程为592.00m。渗流计算成果表明覆盖层(砂卵砾石)平均坡降、闸底最大接触坡降、最大出溢坡降、防渗墙底部最大坡降均小于允许渗透坡降，闸基渗流量在合理范围内。

3.3.2 引水建筑物

引水建筑物由引水明渠和引水隧洞组成，布置在苏宝河左岸，明渠结合地形条件，于进水闸后沿大兰堰至桩号1+246m处设置陡坡暗渠段，其后采用明渠通过烂田坝，在鹰咀岩处接引水隧洞，引水建筑物全长6.86km。

取水口拦污栅闸宽度按引用流量及过栅流速确定为1孔，孔宽3m，闸底板高程620.30m。进水闸室长5m，内设一检修工作闸门，以方便检修引水渠及洪水期挡水。引水明渠过水断面为梯形，长约4.29km，渠首设置沉沙池，明渠设置两处倒虹管穿越已有排洪渠道，明渠末端设节制闸和泄洪闸，向苏宝河泄水，以检修引水明渠和引水隧洞。引水过引水隧洞由何家沟进入水库，隧洞长约2.57km，进、出口底高程为611.20m、609.49m，断面采用无压城门洞型，底宽2m，高2.5m，隧洞末端设置节制闸、分水闸，向高灌区和水库供水。

3.3.3 水库建筑物

3.3.3.1 结构布置

开茂水库建筑物由大坝、溢洪道、放空洞、供水洞、副坝等组成。主坝采用粘土心墙堆石坝，坝顶长357.35 m。受地形条件控制，库区存在5处低于正常蓄水位的低矮垭口，设置副坝共同拦蓄库水。

主坝坝顶高程612.00m，建基面高程556.00m，最大高度56m，心墙顶宽为3m，顶高程为611.00m，底宽为30.7m。心墙上、下游设反滤层，反滤层与堆石区之间设置过渡区。为避免心墙和建基面的接触冲刷，底部设置60cm厚混凝土盖板，对河床及两岸心墙处强风化基岩进行固结灌浆。为方便统一施工，副坝结构形式和布置原则与主坝相同，为粘土心墙堆石坝(见图2)。

图2 堆石坝断面示意

放空洞、溢洪道布置在主坝左岸。放空洞由取水口、有压盲段、竖井闸室段、无压洞段、出口消能段组成，轴线为直线，闸门采用竖井式，总长约334.26m，进口底板高程578.50m，闸门竖井前段为有压盲洞段，洞径2m，长77.5m，竖井后接无压隧洞段，城门洞型，洞段长217.763m，断面底宽2.5m，高3.5m。出口采用底流消能。溢洪道为开敞式宽顶堰溢洪道，布置在主坝左岸，由引水渠、控制段、明渠泄槽、泄槽扩散段、底流消力池组成，轴线为直线，总长约266.82m，堰顶高程608.00m，进口宽度6m，控制段长12m；控制段后接缓坡明渠泄槽段，泄槽首端渐变段长10m，宽度由6m渐变为4m，缓坡段长约133.5m，陡坡段长约93.8m。下游最大流速约20.20m/s，陡坡泄槽段末端与出口底流消能段相接，底流消力池底板高程570.00m，池长17.5m，宽8m，尾坎顶高程570.70m，消力池基础置于基岩上，池尾设防冲齿槽, 齿槽后抛填大块石防淘刷。

根据城市供水和灌溉用水的需要，布置一条供水隧洞，隧洞呈直线布置，总长255.324m。供水隧洞由进口拦污栅、有压段、闸门竖井段、洞内式消力池无压洞段和明渠段等组成。根据死水位、供水高程、供水最低保证流量确定供水隧洞高程为583.00m，出口与城市供水接口和灌区引水渠相接。进口到闸门竖井段为有压盲段，洞径2m，长63m，竖井后经渐变段接洞内挖深式消力池，尺寸2m×3.5m(宽×高)，渐变段长5m；消力池长20m，底板高程581.617m，深50cm，池后接无压隧洞，无压段长57.804m，城门洞型，断面底宽2m，高2.5m。

3.3.3.2 库坝区防渗处理

主、副坝基础及两岸山脊采用帷幕灌浆防渗，根据库周防渗线位置地层结构特点及建筑物级别，帷幕灌浆设计标准按5～10Lu设计，帷幕底部深入透水率为5Lu的微新岩体内5m。主、副坝防渗帷幕与左右岸山脊防渗帷幕形成完整的防渗体系。库区防渗帷幕总长约3 300m，帷幕深度主要在20～40m间，最大帷幕深度约82m，岩溶发育的局部地段采用两排帷幕灌浆，排距1.5m，间距2m，浅幕采用主幕设计深度的1/2，其余采用单排帷幕灌浆处理。

主要采用了物探、探洞和钻孔等方式对防渗线上的渗漏通道进行查找和揭示。对具有连通性的溶洞，采用粘土铺盖或混凝土塞封堵洞口。帷幕线位置的岩溶通道，在帷幕灌浆前采用细石混凝土对通道灌注堵塞，同时进行帷幕灌浆处理。

3.3.4 灌区建筑物

灌区主要涉及北川、安县、江油和涪城等四市县区，耕地主要分布在安昌河两岸610.00m以下。根据灌区地形地质条件、耕地分布以及渠系布置原则，推荐高、低灌区分散供水的水源方案，直灌区设计灌面0.287万hm2，其中高灌区0.266万hm2，由引水渠和安江干渠自流控灌，同时向已成八一水库补水，低灌区设计灌面0.409万hm2，由安绵干渠和红岩支渠控灌，水源为水库囤蓄水量。渠系工程由2条干渠、9条支渠组成，2条干渠总长41 187m，9条支渠总长63 931m，其中明渠长67 875m，暗渠23段，长3 157m，隧洞59座，长27 101m，渡槽39座，长5 374m，倒虹吸管2座，平距长1 111m，在陈村支渠进口段设置陡坡1处，平距长500m。

3.4 安全监测

结合本工程的特点和规模等级，监测项目和内容应能及时、可靠合理的反映枢纽建筑物的工作状态，仪器监测与人工巡视检查相结合，主要和重点监测项目采用自动化程度较高的监测仪器、设备实现自动化监测，以便更好和及时掌握建筑物的安全状况并提供可靠的监测数据。

闸坝以泄洪闸为主要监测对象，对闸基顺河向的渗压、上下游水位采用遥测水位计进行监测，对下游绕渗地下水位采用测压孔加渗压计进行监测。水库主坝作为枢纽建筑物的重点监测对象，对坝体位移、坝基渗透压力、渗流量、绕坝渗流、上下游水位、气温和降水等进行监测，坝体表面水平和垂直位移采用外观精密测量和GPS方式进行监测。对明渠、隧洞等其他建筑物采取常规监测并辅以人工巡视方式实时和连续监测。

4 结束语

受地形地质条件和水系分布限制，工程场址选择受到限制，本工程从水量相对充足的苏宝河引水至邻近流域的何家沟开茂村建库蓄水，工程区内岩溶发育；受5.12地震影响，工程区岩溶水文地质可能会出现变化。因此继续深入开展一些查验和研究工作是必要的：如工程实施前根据料场情况和坝址地质条件对坝型进一步比较，在现有地勘工作的基础上对岩溶的分布、连通性进一步深入研究，在施工期根据揭示出露情况可对防渗设计方案进行适当的优化调整。在工程实施前对岩溶水文进一步查验，对该地区可溶性岩区域的喀斯特水的形成、赋存、运移和排泄规律等水文现象及其规律性进行深入研究。对取水河段来水量进行观测，对地震前后的径流进行对比分析。