斧子口水库坝型比选研究

刘俊宏

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

斧子口水库坝型比选研究

刘俊宏

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

通过对斧子口水利枢纽坝址地形、地质条件、工程投资、环境影响、施工工期等方面进行综合比较，以及碾压混凝土重力坝、混凝土面板堆石坝、碾压混凝土拱坝三种坝型方案进行对比分析后，推荐斧子口水利枢纽为碾压混凝土重力坝坝型。

斧子口水利枢纽；坝型选择；碾压混凝土重力坝；混凝土面板堆石坝；碾压混凝土拱坝

1 工程概况

斧子口水库是桂林市控制性水利枢纽之一，是一座以防洪、补水为主,兼顾发电的水利工程。斧子口水库总库容为1.88亿m3，正常蓄水位为267 m，，工程等别为Ⅱ等，属大（2）型水库。本工程由拦河大坝、泄水建筑物以及发电引水系统组成。根据规范规定，拦河坝、泄水建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物，电站厂房为4级建筑物。

2 设计资料[1]

2.1 水文气象

斧子口水库位于广西兴安县溶江镇斧子口峡谷处，坝址以上集水面积314km2；坝址以上主河道长43km。漓江流域属中亚热带季风气候区，气候温暖湿润，雨量充沛。坝址全年最多风向是东北风，多年平均风速为3m/s，多年平均年最大风速为21m3/s。

2.2 地质条件

斧子口坝址区地貌形态以侵蚀、剥蚀地貌为主，属低山区，河流自北西流向南东，河谷为宽底“V”型斜向谷，河床高程203.69～206.64m，左浅右深，平水期河面宽40～60m，水深1.0～4.0m，河流坡降3‰；两岸无阶地，地形基本对称，山体雄厚，地形陡峻，自然坡度32～50°，植被茂盛，。上、下坝线间左、右岸各发育冲沟一条，冲沟一般呈“V”字型，沟坡陡峻，冲沟深切，水量较丰富，四季流水。

坝址区位于桂林－南宁断裂带的北西侧，岩层产状为N35～55°E，SE∠20～50°，走向与河流呈64～89°交角，主要构造线以北东向为主，此外坝址上、下游局部岩层倾角为18～28°，距离最近的坝线大于150m。工程区地震基本烈度为Ⅵ度。

3 坝型的选择[1]

大坝所在河谷呈陡峻的“V”型斜向谷，两岸山头均在海拔400m以上，两岸地形基本对称，没有天然垭口，左坝肩地形坡度45°，山体雄厚，右坝肩坝轴线通过一单薄山梁。坝基岩体属于中硬～坚硬岩体，总体工程地质条件好，坝址具备建坝的地形地质条件，在坝型选择方面灵活性较大。根据地形、地质条件，上坝址适合修建重力坝、拱坝和土石坝，根据当地建材情况，确定三个比选方案分别为：重力坝以碾压混凝土重力坝为代表坝型、拱坝以碾压混凝土拱坝为代表坝型、土石坝以混凝土面板堆石坝为代表坝型进行比较。

3.1 碾压混凝土重力坝方案

碾压混凝土重力坝方案主体建筑物由拦河大坝以及电站厂房两部分组成。

左岸非溢流坝段长123m、右岸非溢流坝段长77m。上游坝面215m高程以下坝坡为1:0.2，215m高程以上为直立面；下游坝面264m高程以下坝坡为1:0.75，264m高程以上为直立面。

中间溢流坝段总长39m，坝身设置3个表孔，表孔设有胸墙。表孔溢流堰采用实用堰，单孔孔口尺寸为9m×13m（宽×高），堰顶高程250.5m。每个表孔设置一道弧形工作闸门和一道检修闸门。大坝泄水消能采用底流消能，消力池底板顶高程197.5m，池深10.5m，底板厚4～5.5m，尾坎顶高程208m，消力池长80m，宽35m。

电站为坝后式地面厂房，厂房在河床左侧，内设两台发电机组，两机共用一根管道供水。坝式进水口、坝内埋管、坝后背管组成发电引水系统。进水口布置在左岸非溢流坝段，进口底高程223m，进口设置拦污栅、检修闸门和快速闸门。坝内埋管及坝后背管段设单管，管径3.5m，进厂房前分为两条支管分别接入机组，支管管径均为2.6m。主厂房（含安装间）长36.1m，宽16m，净高11.85m，主厂房内2台安装水轮发电机组，单机容量7.5MW，水轮机安装高程206.50m。副厂房布置在主厂房上游侧厂坝间平台上，长36.1m，宽15.64m。

碾压混凝土重力坝方案采用全段围堰、隧洞导流的导流方式，汛期利用坝体缺口与导流洞联合泄洪的度汛方式。导流隧洞布置在左岸，为城门洞型无压隧洞，洞长425m，隧洞断面宽6m，高8.73m。

本方案混凝土工程量约42万m3，人工骨料考虑从距离坝址约22km的兴安县严关镇茅梨山石料场北侧山包开采。本方案土石方开挖共形成弃渣约85万m3。

碾压混凝土重力坝方案枢纽布置详见图1。

图1 碾压混凝土重力坝方案枢纽布置图

3.2 混凝土面板堆石坝方案[2]

混凝土面板堆石坝方案坝线距离方案一坝址下游约30m处，该方案由混凝土面板堆石坝、河岸溢洪道、电站三部分组成。

混凝土面板堆石坝坝顶高程274.5m，防浪墙高1m，最大坝高74.5m，坝顶总长235m，坝顶宽7m。堆石坝上游坝坡1:1.4，下游平均坝坡1:1.9。坝体结构分为垫层区、特殊垫层区、盖重区、上游铺盖区、过渡区、主堆石区、下游堆石区、滤水坝趾区等部分。

溢洪道布置在拦河坝右坝肩的山体，长543.8m。进水渠长205.8m，底宽32m，进口高程247m。控制段长34m，设2孔平底闸和1孔开敞式溢流堰。开敞式溢流堰采用WES实用堰，堰顶高程260m，孔口宽度为8m；2孔平底闸底板高程247m，单孔宽11m。泄槽段长304m，纵坡1:9，底宽32m，溢洪道采用挑流消能。根据地质成果，溢洪道轴线经过F5断层带，同时下游段的钻孔揭示泄槽段中部冲沟间岩体破碎，风化带埋深较深，边坡稳定性差，且溢洪道开挖边坡较高，最大开挖高度达到150m，故在边坡支护上，除采取常规的锚喷支护外，局部考虑另增加2000kN的预应力锚索进行加固，保证边坡的稳定安全。

电站布置在大坝左岸下游坡脚处，采用引水式地面厂房，厂房内布置两台机组。进水口采用塔式进水口，布置在大坝左岸，进水口底高程223m。引水隧洞采用圆形，隧洞长320m，隧洞直径4.4m。

施工导流采用隧洞导流方式；汛期利用导流洞泄洪与坝体临时拦洪断面挡水相结合的度汛方式。根据施工进度安排，混凝土面板堆石坝在第一个枯水期末将堆石坝体全面填筑至235m高程，上游侧坝体填筑至246m高程以形成临时挡水断面进行拦洪度汛，坝面不过水。导流隧洞设左岸，采用城门洞型，洞长482m，断面尺寸为6.5m×9.38m。

本方案坝体堆石填筑量约为90万m3。开挖土石方弃渣约250万m3。

混凝土面板堆石坝方案枢纽布置详见图2。

图2 混凝土面板堆石坝方案枢纽布置图

3.3 碾压混凝土拱坝方案

上坝址河谷为基本对称的“V”型谷，坝址基岩裸露，地质条件较好，可以布置单曲拱坝或双曲拱坝。本次采用单曲拱坝方案。枢纽建筑物主要由碾压混凝土单曲拱坝和引水式发电厂房两部分组成。

拱坝为定圆心、定外半径等截面单曲拱坝，上游面为铅直面，下游面接近抛物线。坝顶高程272.0m，最大坝高79.4m，左、右基本对称，上游面半径180m。坝顶弧长320.4m，坝顶宽7m，坝底宽26.2m，厚高比0.33。

拱坝由非溢流坝段和溢流坝段组成，左、右岸非溢流坝段坝顶弧长均为133m，对称布置。根据地质勘探成果，右坝肩山体地形较单薄，存在F5断层及节理密集带，岩体较破碎，对右坝肩的变形稳定有较大影响。为消除右坝肩不利地质条件的影响，在右岸坝肩设长46m的重力墩，并适当加深破碎带影响区域的固结灌浆。

拱坝溢流坝段布置在河床的中部，坝顶弧长53m。为满足枢纽泄洪和排漂的要求，溢流坝段设1个表孔和2个浅孔。表孔布置在溢流坝段中部，为开敞式泄水孔，孔口宽度为10m，进口底高程258.0m，设一道平板闸门。浅孔布置在溢流坝段两侧，孔口尺寸为10×10m（宽×高）。溢流坝采用挑流消能，下游设50×70m（宽×长）的水垫塘。

电站厂房布置在水垫塘下游河床左岸，为引水式地面厂房，厂房内安装两台机组，采用两机一洞供水。进水口采用塔式进水口，进口底高程为223m。引水隧洞长230.6m，洞直径为4m，为有压圆形隧洞。主厂房长36.1m，宽16m，净高11.85m，副厂房长36.1m，宽15.64m。主厂房内安装两台水轮发电机组，单机容量为7.5MW的。

施工导流采用隧洞导流方式，在汛期来临时采用预留坝体缺口与导流洞联合泄洪的导流方式。导流隧洞布置在左岸，为无压城门洞型，隧洞断面尺寸为6×8.73 m（宽×高），隧洞长485m。

本方案混凝土工程量约40.8万m3，人工骨料考虑从坝址下游约22km的茅梨山石料场北侧山包开采。本方案土石方弃渣约80万m3。

碾压混凝土拱坝方案枢纽布置详见图3。

图3 碾压混凝土拱坝方案枢纽布置图

3.4 坝型比较

上述三种坝型的主要工程量及投资比较见表1。

表1 各坝型方案主要工程量及投资比较表

根据建筑工程投资比较，面板堆石坝方案投资比碾压混凝土重力坝方案多4110万元，主要是由于坝址附近地形不利于布置面板堆石坝方案，溢洪道需从岸坡中开挖形成，开挖边坡较高，支护工程量较大，土石方开挖工程量较大，且风化层较深、岩石较破碎，无法全部用于大坝堆石区的填筑，部分堆石料（约20%）需从石料场开采，未能充分体现当地材料坝的优越性；拱坝方案工程投资比碾压混凝土重力坝方案多120万元，主要是由于拱坝坝顶长度较长，右岸需修建46m长的重力墩，左岸修建洞径4.0m的有压引水隧洞长230m，这些因素导致拱坝的投资较大。水土保持投资方面，由于面板堆石坝方案产生大量弃渣，部分坝体堆石料需要从石料场开采，石料场的水土保持费用增加，因此面板堆石坝方案水土保持投资比碾压混凝土重力坝方案和碾压混凝土拱坝方案多约290万元。从施工导流工程投资比较，因混凝土面板堆石坝方案导流隧洞洞径较大，洞线较长，而拱坝方案虽然洞径与重力坝方案相同，但拱坝导流隧洞沿线地质情况较差，Ⅳ类围岩长度较长，故混凝土面板堆石坝方案和拱坝方案的导流工程投资分别比重力坝方案投资多370万元和290万元。另外，施工道路投资方面面板堆石坝方案比碾压混凝土重力坝方案和拱坝方案投资多180万元。通过综合比较，混凝土面板堆石坝方案总投资比碾压混凝土重力坝方案多4950万元，碾压混凝土拱坝方案总投资比碾压混凝土重力坝方案多410万元。因此，从工程投资条件看，碾压混凝土重力坝方案略优。

根据地形、地质条件分析，坝址岩体为D11中厚～厚层细砂岩夹砾岩及少量泥质粉砂岩，下游端少部分为D12中厚～厚层细砂岩及泥质粉砂岩、粉砂岩，该层岩石坚硬，强度高，可以满足混凝土坝及面板堆石坝坝承载力要求；由于坝址两岸地形均无天然垭口，面板堆石坝方案溢洪道开挖边坡过高，边坡支护较为困难以及影响今后运行安全。右坝肩存在断层和节理密集带，对重力坝方案和拱坝方案的右坝肩基础的变形和稳定均有不利影响，对拱坝拱座稳定尤为不利。左坝肩岩体结构面组合对拱坝方案坝肩稳定不利，需要专门进行基础处理。因此，根据坝址地形、地质条件碾压混凝土重力坝更优。

根据斧子口水库调度运行要求，需要在泄水建筑物较低高程布置一定数量的闸孔，才能满足汛限水位下泄洪水和水库排漂、排洪的需要。对于混凝土重力坝方案来说，布置有关泄水孔，仅对工程施工期间碾压混凝土的施工造成一定的影响，而对整体结构无大的不利影响；对于混凝土面板堆石坝方案，受坝址地形条件限制，较低的泄水孔口就意味着溢洪道的进水口布置得更低，开挖深度更深，形成的高边坡更大，对边坡稳定的支护要求更高；混凝土拱坝为整体受力的结构，对结构整体性要求较高，而本工程碾压混凝土拱坝方案的孔口布置范围已占拱坝坝高的1/3，溢流坝段宽达53m，大大的削弱了拱坝的整体性及拱的作用，限制了拱坝优势的发挥。故就泄水建筑物的布置对主体工程影响而言，碾压混凝土重力坝方案更有利。

根据环境影响分析，混凝土面板堆石坝方案产生的大量弃渣以及填筑石料开采，对原始地貌、原有植被以及当地景观和生态环境影响较大，溢洪道高边坡对当地的景观也造成了极大的破坏；而重力坝方案开挖和弃渣量较少，对原始地貌、植被相对影响较小。因此从环境影响上看，碾压混凝土重力坝方案和碾压混凝土拱坝方案都优于混凝土面板堆石坝方案。

根据施工工期分析，重力坝方案与拱坝方案的总工期均为35个月，面板堆石坝方案总工期为31个月，但混凝土面板堆石坝方案由于工作面较多，各个工作面之间施工相互干扰较大，土石开挖与堆石料填筑之间相互影响制约，对施工组织设计要求更高，对工期存在较多的影响因素。

综上所述，碾压混凝土重力坝方案较优，本工程以碾压混凝土重力坝为推荐坝型。

4 结语

通过对斧子口水利枢纽投资、地形、地质条件、水土保持、环境影响、水库调度运行及工期等因素的比较，推荐坝型采用的碾压混凝土重力坝坝型方案得到了水利上级部门的肯定。斧子口水利枢纽工程可行性研究报告获得国家发改委批复；初步设计报告通过了广西壮族自治区水利厅审查并获得自治区发改委的批复。目前项目已进入实施阶段。

[1] 广西水利电力勘测设计研究院.广西桂林市防洪及漓江补水工程斧子口水利枢纽初步设计报告[R].南宁:广西水利电力勘测设计研究院,2010.

[2] 蒙丽丽.桂林市小溶江水利枢纽坝型选择[J].广西水利水电, 2009,(6):1-5.

Dam type selection for Fuzikou Hydraulic Complex

After a comparison was made between the rolled compacted concrete(RCC)gravity dam type、concrete slab rockfill dam type and RCC arch dam type,from the respectsof landform and geological conditions of dam site,construction cost,environmental influence and construction period,RCC gravity dam type was selected for the Fuzikou Hydraulic Complex.

Fuzikou Hydraulic Complex;dam type selection;RCC gravity dam;concrete slab rockfill dam; RCC arch dam

TV222.1

A

1008-1151(2015)03-0050-04

2015-02-11

刘俊宏（1983－），男，广西恭城人，广西水利电力职业技术学院工程师，从事水利水电工程设计、教育工作。