南峰水库坝轴线及坝型方案选择

□高卫瑞（荥阳市水务局）

1 坝轴线选择

坝址、坝轴线的选择对枢纽布置至关重要。坝址和坝轴线选定后，枢纽的各种建筑物布置也大体上确定。

结合本工程实际，主要考虑地形和地质条件应有利于建坝和布置其他建筑物，特别是布置泄洪建筑物，河谷宜尽可能窄，以节省坝体工程量，但地质条件要尽可能好，以减少地基处理工程量，同时还要考虑有利于布置泄洪建筑物。坝址宜选在河道顺直段，以利于坝与河岸的连接；有时也可选在河道转弯处，但转弯半径要大，既便于坝与河岸连接，又便于布置建筑物。上游不宜靠近支流出口，以免发生洪水时，引起坝前回流。

1.1 上坝线方案

（1）在地形方面主要考虑下坝线下游45m3的塌滑体对工程施工不利，左岸山体较大冲沟单薄、破碎，对坝体安全不利，需要防渗处理，工程量大。

（2）在地质方面岩基未发现大范围的夹层。而下坝线处左岸基岩有一条宽200～250m呈北北东方向的强透水带，右岸单薄分水岭的透水性亦很大，左右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下约80m。河床地段基岩透水性与中等透水带厚度具有从上游向下游逐渐变小的趋势。同时，下坝线位于背斜下坡上，下游发现承压水，使得坝体内的浸润线很高，对坝体稳定十分不利。需要进行防渗和减压排水处理。综合相比较而言，下坝线的工程量大。

（3）在枢纽布置方面，上坝线的导流泄洪洞、溢洪道均布置在左岸单薄分水岭，灌溉发电洞则布置在左岸东凹沟附近三级阶地上。溢洪道堰顶高程757m，沿建筑物轴线岩层倾向下游。岩性主要为坚硬的细砂岩，其中软弱层多为透镜体，溢洪道各部分的抗滑稳定条件是好的。沿线基岩以厚层粉砂岩为主，岩石完整，透水性不大，洞顶以上岩层厚度较小。

（4）坝区有三个砂砾料场，其中在上游有王必、上山，下游有南峰沟砂砾料场。上坝线及砂砾料场的距离要近于下坝线。其他的土料场、石料场及骨料场两个坝线的距离相差很小。

1.2 下坝线方案

（1）在地形条件方面，下坝线河床宽约120m，而上坝线河床宽约300m，上坝线的筑坝工程量比下坝线的工程量要大。

（2）在地质条件方面，下坝线左岸为二、三级阶地，右岸731m高程以下为基岩，以上为三级阶地。

（3）在枢纽布置方面，下坝线方案溢洪道可布置在右岸，灌溉发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧约40m，工程量较上坝线明显减少。导流泄洪洞位置与上坝线位置相同。下坝线方案沿线全为基岩，工程安全比较可靠。而上坝线在建筑物的基岩岩面上有0～5m厚的砾岩及厚度不等的亚粘土层，电站厂房处岩石风化层厚度约5～6m，对其产生的渗漏及土体坍塌应采取必要的工程措施。

1.3 确定坝轴线

综合比较上、下两条坝轴线，下坝线方案的处理工程量比上坝线大，施工技术较为复杂，施工难度较大；在地质和地形条件方面上坝线更具有可行性，上坝线离料场的距离也较近于下坝线。故本设计中，从安全和经济上考虑选择上坝线作为坝轴线。

2 选择坝型

常见的坝型有：重力坝，拱坝，土石坝。以下对拱坝、重力坝和土石坝三种方案分别进行论述并选优。

2.1 重力坝方案

重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求，同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。

在本工程中，若选重力坝，地基上覆盖有大量的湿陷性黄土，需要开挖十几米深的地基，工程量太大；坝区的材料无法满足重力坝筑坝材料的要求，需外运大量的混凝土骨料及其他材料，工程造价将成倍提高，同时不能利用坝区内其他土料。

综上所述，重力坝方案的工程造价太高，在经济上不可行。

2.2 拱坝方案

拱坝是固接于基岩上的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形。坝体结构既有拱作用又有梁作用，其所承受的水平荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，并不全靠坝体自重来维持。由于拱是一种主要承受轴向压力的推力结构，拱内弯矩较小，应力分布较为均匀，有利于发挥材料的强度。拱的作用利用得愈充分，材料抗压强度高的特点就愈能充分发挥，从而坝体厚度就可以减薄，节省工程量。拱坝的体积比同一高度的重力坝大约可节省，从经济意义上讲，拱坝是一种很优越的坝型，但拱坝对地质地形条件要求很高。

地形条件是决定拱坝结构形式、工程布置以及经济性的主要因素。理想的地形应是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。坝端下游测有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定。

河谷的形状特征常用坝顶高程处的河谷宽度L与最大坝高H的比值，即“宽高比”L/H来表示。一般情况下，在L/H<1.50的深切河谷可以修建薄拱坝，在L/H<1.50-3.00的稍宽河谷可以修建中厚拱坝，在L/H>3.00～4.50的宽河谷多修建重力拱坝，而在L/H4.50的宽浅河谷，由于拱的作用已经很小，梁的作用将成为主要的传力方式，一般认为修建重力坝或拱型重力坝较为合适。

地质条件也是拱坝建设中的一个重要问题。河谷两岸的基岩必须能承受由拱端传来的推力，要在任何情况下都能保持稳定，不致危害坝体的安全。在本工程，上坝址河谷顺直，不利于坝体两端的稳定，两岸岩体不坚硬，不利于坝体两端的稳定，地基的覆盖层较厚，需要进行地基清理。坝址处存在断层。以上问题均需要采取工程处理措施，所以地形条件并不适合修建拱坝。

2.3 土石坝方案

土石坝是指由土、石料等当地材料建成的坝，是历史最为悠久的一种坝型。

在本工程中，若修建土石坝可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量，可大大节省工程造价。

土石坝能适应各种不同的地形、地质和气候条件，地基仅需进行稍微处理（大约开挖2～3m即可），节省了工程量。

筑坝技术的不断提高也为土石坝的质量提供了技术保障。

对于土石坝存在的制约因素，在本工程中并不明显，岩基有足够的强度来保证枢纽的稳定；设计洪水位和校核洪水位相应的下游尾水位均较低，容易解决施工导流问题；对于气候条件，水库坝址处没有建立水文气象站，根据附近气象站1958—1963年和1970—1972年共9a资料统计分析，最高气温29.1℃(6月)，最低气温-14.3℃(1月)，多年平均日气温4-24℃。由此可见，气候对施工有一定的影响，但可以采取措施加以控制。

通过对上面三种坝型的比较，最终选择土石坝为基本坝型。

2.4 土石坝坝型选择

根据防渗构造的类型，常见的土石坝型式有：均质坝、心墙坝(包括宽心墙、心墙、斜心墙)、斜墙坝等。以下对各种坝型方案进行比较论证。

2.4.1 土质心墙坝方案

土质防渗体位于坝体中间，上下游坝壳基本由一种透水料填成。土质心墙坝通常又可以分为宽心墙坝和窄心墙坝。

选用宽心墙坝还是窄心墙坝，要看土料储量、土料离坝距离、土料物理力学性质、气候条件、宽心墙对坝壳边坡的影响等因素，最后根据经济比较决定。选用窄心墙时必须确保填筑质量均匀一致。宽心墙施工受天气影响较窄心墙要大，但是窄心墙通常会出现“拱效应”问题，应该认真研究解决。

2.4.2 土质斜墙坝方案

土质防渗体靠近上游，下游透水坝壳基本由一种透水材料筑成，适用于当地有丰富的土料和透水料，尤其是当不透水料场主要位于上游时，采用这种坝型便于土料上坝，施工方便。

在雨季或者冬季填筑土料有困难时采用土质斜墙坝，可以先填下游坝壳透水料，争取工期；土质斜墙容易检修；基础处理干扰比较小；下游坝壳浸润线比较低，对下游坝坡稳定有利；在多泥沙河流上斜墙与地基接触的应力比心墙小，与地基结合不如心墙坝；同时，土质斜墙坝在坝体发生不均匀沉降时容易发生裂隙甚至断裂；一般而言，同等高度的斜墙坝工程量比窄心墙坝要大。

2.4.3 均质土坝方案

坝体绝大部分采用同一种筑坝材料筑成。通常用弱透水土料，如粘土、壤土和砾石土等修建均质土坝。当受到料源限制时，偶尔也采用砂壤土和砂等透水性大材料修筑，但仅适用于对渗流量基本可以不控制的滞洪水库，而且上下游坝坡比较缓，以满足坝坡稳定要求。

均质土坝适用于当地只有一种筑坝材料的情况，其优点是：材料单一，施工工序简单，干扰少；防渗部分厚大，渗透比降较小，有利于渗流稳定和减少通过坝体的渗流量；和坝基、岸坡及混凝土建筑物的接触渗径比较长，可以简化防渗处理。

2.4.4 土石坝坝型选择

土坝要使其在正常和非正常工作条件下，能满足坝坡稳定、坝体变形在允许范围内和渗流稳定等要求，即坝坡是稳定的，坝体沉降量不太大，不产生裂缝，渗漏水流量和水力梯度在允许范围以内，不发生渗流破坏。选择土坝坝型是设计土坝枢纽的重要问题。应根据枢纽布置的各个可能方案和筑坝材料的来源，进行技术经济比较来确定。坝型选择应考虑以下因素：

2.4.4.1 坝高

中低坝多采用均质坝，高坝宜采用多种材料分区坝，因为高坝用料较多，要尽可能采用当地土料，同时要充分利用枢纽中其他建筑物地基和地下洞室的开挖废料；坝体土料分区还可缩小断面，减少工程量。

2.4.4.2 筑坝材料

要尽量利用运输距离短的当地材料和其他建筑物地基或地下洞室的开挖废料。对于高土坝的防渗体材料，一般倾向于选用均匀、含有粗颗粒的粘性土料，因为这种土料强度较高，变形较小，而且便于填筑。至于防渗体是采用心墙还是斜墙，或者采用多种土料分区坝，应根据可作为防渗体材料的质量和数量而定。

对坝壳，最适宜的材料是碎石、砾石、砂砾石、用爆破方法开采的石料，也可用砂土、砂壤土等材料。

2.4.4.3 坝址地形条件

土坝能建筑在各种地形条件的坝址，当然在河谷较窄处建坝，工程量可减少。对于建在河谷较窄处的高土坝，适宜用心墙或斜墙坝，坝壳的多种土料分区不宜过多，以减少施工干扰。

2.4.4.4 坝址地质条件

土坝既可建在岩基上，也可建在河床覆盖层上。虽然土坝对坝基地质条件要求较低，但应力求建在较坚硬、完整、透水性弱的岩基上，或承载力大、变形小、透水性弱的土基上；应当说一般的砂砾石覆盖层是较好的土基。选择坝型应能较好地适应坝基地质条件，对于深覆盖层的坝址，宜采用心墙或斜墙坝，以减少覆盖层的开挖量。

对于地震烈度较高的坝址，不宜采用细砂填筑土坝，一般宜采用斜心墙坝。

2.4.4.5 施工条件

要考虑施工导流、初期度汛、施工进度、施工分期、填筑强度、施工现场、运输条件、施工机械和施工队伍等因素对坝型的影响。选择坝型，应尽量使构造简单、便于施工。多种土质坝如分区过多，对施工不便。

2.4.4.6 气候条件

在多雨地区，宜选用砂性材料筑坝；采用斜墙比心墙有利，因为斜墙坝的沙砾料透水坝体为一连续整体，可在降雨季节施工，而斜墙可在旱季赶筑。

2.4.4.7 枢纽布置

坝型的选择应考虑土坝与枢纽中其他建筑物，如溢洪道、泄洪隧洞、泄洪廊道、水电站的输水隧洞、供水的引水隧洞等的连接或相互位置。总之，坝型的选择应便于枢纽各种建筑物的布置，对于高土坝枢纽常采用心墙或斜心墙坝。

2.4.4.8 运行条件

坝型的选择应考虑运行期的上、下游水位变动情况和人防要求等。水库水位变化频繁或有骤降情况下，不宜采用斜墙坝或上游坝壳用细土料的坝型。

2.4.4.9 经济方面

应综合考虑土坝及枢纽的总工程量、劳动力、工期等因素，选用最经济的坝型，使总造价降低。

对于坝轴线较长的土坝，可根据地形、地质和料场的具体条件，考虑坝轴线分段采用不同的坝型，但在坝型变换处应设置渐变段。此外，分段坝型也不宜过多，以免给施工带来不便。

由以上论述及工程资料进行坝型比较：①斜墙坝。断面较大，特别是上游坡较缓，坝脚伸出较远，对其他建筑物的布置有一定的影响；且防渗体坐落在黄土和砂砾石地基上，黄土有湿陷性，易断裂。②心墙坝。该工程中，重粉质壤土充足，为心墙坝提供了良好的防渗材料，上下游附近均有土料场，运距小，也为心墙坝的施工创造了好的环境。可以将其作为备选方案。③均质坝。同其他坝型比较，造价较低，且对地基要求低，施工简单，干扰不大，材料单一，便于群众性施工。从另一方面看，由于灌区缺水问题急待解决，上级也要求工程能尽快见效，且当地劳力缺乏，当然希望能尽早完工。尽早完工的同时也降低了工程总造价。

通过分析认为宜选择均质坝。