石河水库枢纽布置方案比选

张 峰

（晋城市水利水电规划处 山西晋城 048000）

1 基本概况

石河水库工程位于泽州县晋庙铺镇窑掌村东南，毗邻河南搭界处的石河干流上。石河属黄河流域沁河水系，发源于天水岭一带，河流由西北流向东南，水库坝址以上控制流域面积74.9 km2，流域长23 km，流域平均宽3.26 km，河床纵坡23‰。水库坝址以上约730 m处有东东水泉出露，泉水流量为0.03～0.05 m3/s左右。石河水库是一座以农村人畜吃水为主，兼顾晋庙铺工业园区工业供水的小（一）型水库，总库容157.3万m3。

为了拦蓄石河泉水和调节径流，确保枯水期可供水量，初步拟定在石河干流新建拦河坝一座，该枢纽工程的确定直接影响工程投资与效益。因此，对枢纽坝型布置方案进行了比较。

2 坝址区地质条件

坝址位于泽州县晋庙铺镇窑掌村东南的石河上，河流呈“S”形，河谷呈“V”形，地貌属溶蚀侵蚀中山区。拟建坝址左岸为基岩岸坡，岸坡较陡，坡角75～80°；右岸岸坡分布坡洪积物，相对较缓，坡角65°～70°。坝址区出露地层由老到新依次为古生界寒武系上统、新生界第四系全新统地层。坝址区未发现大的断裂构造。

坝址区出河床沉积有厚19.60 m的第四系全新统卵（漂）石混合土，右岸岸坡上堆积有第四系全新统坡洪积混合土块石，坝基为寒武系上统灰质白云岩；坝基覆盖层工程地质条件差，易形成渗漏通道。坝基灰质白云岩的主要渗漏通道为基岩节理裂隙，坝基钻孔压水试验可知，坝基存在层面渗漏。

坝基岩性主要为灰质白云岩，弱风化，岩石较坚硬，但坝基弱风化岩体质量等级为Ⅲ级，且坝基存在倾向下游的高倾角裂隙，局部裂隙较发育。左、右坝肩裂隙较发育，存在高倾角裂隙，经野外测绘可知：局部存在溶隙、溶孔等喀斯特现象，可能形成渗漏通道，存在绕渗问题。

3 坝型分析

坝型比较是在坝址比较结论的基础上，对推荐坝址的不同坝型进行综合比较。根据推荐坝址处工程地质、地形条件，当地建设主要材料，适宜的坝型主要有混凝土面板堆石坝、浆砌石重力坝和堆石混凝土重力坝等。浆砌石重力坝施工机械化程度低、工期长，工程质量较难保证。因此综合分析，本次设计拟定了目前国内技术成熟且应用较多的两种坝型：面板堆石坝和堆石混凝土重力坝进行比较。两种坝型方案比较重点是对地基要求，以及挡水、泄水建筑物的工程枢纽布置等不同方案进行比较。

4 枢纽布置方案

（1）堆石混凝土重力坝方案

堆石混凝土重力坝方案枢纽建筑物由挡水坝段、溢流坝段、冲砂闸段组成。

坝顶长66 m，坝顶宽8.0 m，溢流坝段长31 m，非溢流坝段长35 m，最大坝高44.7 m,最大坝底宽33.91 m，堰顶净宽27 m，分3孔，无闸门控制。冲砂闸布置在大坝左侧，为一孔，孔口尺寸2.5 m×3.0 m。

（2）面板堆石坝+右岸溢洪道+导流泄洪冲砂洞方案

在大坝右岸坝肩布置溢洪道，大坝左岸岩体内布置导流泄洪冲砂洞，在导流任务完成后用作泄洪冲砂洞。枢纽建筑物布置方式为挡水大坝、溢洪道和导流泄洪冲砂洞。

大坝为混凝土面板堆石坝型式，坝顶长55.0 m，坝顶宽6.0 m，最大坝高33.8 m。溢洪道布置在大坝右岸坝肩上，为正槽开敞式溢洪道。溢洪道进口设置钢筋混凝土宽顶堰，堰宽18 m。溢洪道总长235 m，由引渠段、控制段、泄槽段、消能段和护坦段组成。导流泄洪冲砂洞位于水库枢纽左侧的山体内，从上游到下游依次为：引渠段、进口闸室段、洞身段、出口挑流段。洞长155 m，进口闸室孔口尺寸3.5 m×3.5 m，设平面定轮钢闸门。

（3）溢流面板堆石坝+导流泄洪冲砂洞方案

混凝土溢流面板堆石坝方案工程布置从左至右依次为：左岸挡水坝段、溢流坝段、右岸挡水坝段，大坝左岸岩体内布置施工导流洞，在导流任务完成后用作泄洪冲砂洞。

大坝采用混凝土面板堆石坝，拦河布置，坝顶长57.5 m，坝顶宽6.0 m，最大坝高29.6 m，最大坝底宽116.1 m。在坝顶布置溢洪道，为正槽开敞式溢洪道。溢洪道总长180.07 m，在纵向上采用等宽布置，由进口控制段、泄槽段、消能段和护坦段组成。导流泄洪冲砂洞位于水库枢纽左侧的山体内，从上游到下游依次为：引渠段、进口闸室段、洞身段、出口挑流段。洞长163 m，洞身底纵坡0.02，进口闸室孔口尺寸5 m×5 m，设平面定轮钢闸门。

（4）面板堆石坝+导流泄洪冲砂洞方案

本方案坝型采用面板堆石坝，泄洪建筑物为左岸岩体内布置的导流泄洪冲砂洞。枢纽建筑物包括挡水大坝和导流泄洪冲砂洞两部分。

大坝采用混凝土面板堆石坝，拦河布置，坝顶长66.0 m，坝顶宽6.0 m，最大坝高32.5 m。导流泄洪冲砂洞位于水库枢纽左侧的山体内，从上游到下游依次为：引渠段、进口闸室段、洞身段、出口闸室段、出口挑流段。洞长126 m，洞身底纵坡0.02，进口闸室孔口尺寸7.4 m×7.4 m，设平面定轮钢闸门。出口闸室孔口尺寸6.2 m×6.2 m，设弧形工作闸门。

5 方案比选

（1）工程布置及泄洪条件

从坝址地形上看，坝址处河道狭窄，河谷宽度在27～38 m，两岸山体岩体陡峭，高差达150 m左右，没有可供溢流的垭口。如采用面板堆石坝，泄洪主要考虑坝顶溢流、泄洪洞和在右岸开设溢洪道三种方案。

方案二采用右坝肩新开溢洪道+导流泄洪冲沙洞泄洪方式，由于右岸地形陡峭，溢洪道布置十分困难，不仅溢洪道宽度受到很大限制，且右岸边坡开挖边坡高度最大为51 m。根据实际地形，溢洪道需要设置转弯段，最大转角为64°，水力条件较差。

方案三采用坝顶溢流和导流泄洪冲沙洞相结合的泄洪方式，由于河道狭窄弯曲，转角达到62°，下游的消能设施布置十分困难，经水力计算需采用3级消能方式，且下游消能工与坝体的衔接处处理难度较大，目前尚无十分成熟的经验，一旦发生破坏，洪水直接冲刷坝脚，严重威胁坝体安全。

方案四采用导流泄洪冲沙洞泄洪方式，洞径为7.4 m，与水库规模不甚协调，且闸门型式较为复杂，价格昂贵，运行管理需要较高的技术水平；由于导流泄洪洞是唯一的泄洪通道，一旦运行发生意外，遭遇洪水时，短时间内便会漫坝。另外由于闸门较大，出口处弧形闸门位置需要高边坡石方开挖，最大开挖高度达到54 m，存在不安全因素。

方案一堆石混凝土坝可将溢流布置在主河槽坝段，泄流条件较好，技术条件十分成熟，因此从泄洪条件、运行管理和泄洪安全看，堆石混凝土坝具有明显优势。

（2）施工技术和施工条件

堆石混凝土坝采用自密实混凝土浇筑，靠自身重力填充空隙，施工过程简单，最大限度地降低了混凝土仓面的施工人员和机械工作量，现场控制管理更加简便易行；自密实混凝土避免了混凝土振捣密实的过程，消除了人为不利干扰因素，施工进度快，且堆石混凝土采用专用配合比混凝土，施工质量和稳定性更容易保证。

面板堆石坝不需要进行大的基坑开挖，筑坝石料可以采用开挖块石，但由于坝体材料分层复杂，对坝体材料施工要求较高。根据地质资料和实地勘察，河谷和覆盖层内有大量两岸坍塌下来的块石、巨石，块径达3～7 m，防渗墙施工条件十分困难，施工难度极大，施工质量难以保证。另外面板堆石坝适用于较为开阔的施工场地，本工程河谷过窄，不适宜大型碾压机械施工，而堆石混凝土坝相对适应性较好。

（3）施工导流

由本工程施工进度计划可知，工期为2年。根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004），施工导流为5年一遇全年导流标准，本工程采用在库区左岸布设导流洞的导流方式。堆石混凝土坝方案基坑以下坝体砌筑方量24 545 m3，在一个非汛期间坝体可以砌筑至基坑以上，即使遭遇超标准洪水，堆石混凝土坝体可以过流；面板堆石坝坝体为松散质材料，不可以过流，若遭遇超标准洪水，坝体将被冲毁，造成巨大损失。

（4）主要工程量及投资比较

从工程量上比较：土石方开挖量上方案一比方案二和方案三少，但比方案四多；砌石量上方案一比其它三个方案大，但其它三方案都有过渡料堆石料，而且量很大；混凝土与钢筋混凝土量方案一和方案四量差不多，其它两方案量很大。从工程总投资上比较：方案一为6 204.59万元；方案二为6 803.04万元；方案三为5 909.67万元；方案四为5 576.01万元。

6 结论

通过以上分析比较，方案一堆石混凝土坝可将溢流布置在主河槽坝段，泄流条件较好，技术条件十分成熟，因此从泄洪条件、运行管理和泄洪安全看，堆石混凝土坝具有明显优势。方案二受地形地质条件的影响，右岸溢洪道施工难度大，岸坡石方开挖工程量大，导致投资增加甚多，且溢洪道水力条件较差；方案三投资没有明显优势，坝顶溢洪道下游消能设施受地形限制，轴线转角达45°，经水力计算需采用三级消能方式，型式复杂，水力条件很差，且位于砂砾石地基上，一旦消能工发生破坏，势必冲刷坝脚，威胁大坝安全；方案四投资较为经济，但闸门过大，与水库规模不甚协调，且对管理技术要求较高，一旦闸门出现运行问题，遭遇洪水时，短时间内就会漫坝。

另外，面板堆石坝虽不需要进行大的基坑开挖，筑坝石料可以采用开挖块石，但坝体材料分层复杂，施工要求较高；面板堆石坝适用于较为开阔的施工场地，本工程河谷过窄，不适宜大型碾压机械施工；由于河谷和覆盖层内有大量两岸坍塌下来的块石、巨石，块径达3～7 m，防渗墙施工条件十分困难，施工难度极大，施工质量难以保证。而堆石混凝土坝施工简单，质量容易控制和保证，一个非汛期内可以砌筑出基坑面，因此本着技术经济，施工安全的原则，堆石混凝土重力坝方案具有明显的优越性，本次设计推荐采用堆石混凝土重力坝枢纽方案。