西音水库坝型及枢纽布置选择

2017-08-17马宁

东北水利水电 2017年8期

关键词：重力坝堆石坝心墙

马宁

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

西音水库坝型及枢纽布置选择

马宁

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

文中从地形地质条件、筑坝材料与挖填平衡、施工技术、投资等角度，综合分析对比钢筋混凝土面板堆石坝、粘土心墙堆石坝、碾压混凝土重力坝三种坝型的优劣势，选定面板堆石坝为推荐坝型；基于总体布置、施工条件、工程投资等方面因素，对左、右岸引水发电系统的枢纽布置方案进行对比，最终选定面板堆石坝及左岸溢洪道加右岸山体引水隧洞的枢纽布置方案。

西音水库；坝型比选；枢纽布置选择

1 工程概况

2 坝型比选

根据坝址区地形地质条件，坝址区不具备修筑拱坝的地形条件，从建筑材料的初步勘探成果来看，坝址附近存在足够的石料、防渗土料、砂卵砾石等当地筑坝材料，具备修建土石坝的条件。坝址覆盖层偏厚，重力坝坝基开挖工作量较大，基础经固结灌浆、帷幕防渗处理后能够满足重力坝建基面要求。土石坝对坝基覆盖层能有比较好的适应性，对钢筋混凝土面板堆石坝和粘土心墙堆石坝进行比较；鉴于土石坝作为拦河大坝需要在坝肩或岸边设置泄洪设施，而重力坝作为拦河坝可以采用坝身泄洪，因此对重力坝方案也进行了比较。

对三种坝型的技术经济比较和分析，主要从以下几个方面进行：

1）地形地质条件。坝址区河谷地貌为近对称的“U”型河谷，地形适于土石坝和重力坝的建设。坝址区左岸坝肩为突出的山体，且山体较厚，地形坡度10～20°，可以布置河岸溢洪道。坝址覆盖层较厚，左坝肩为2.3～7.9 m，河床段为6.0～13.0 m，右坝肩为7.0～21.5 m；基岩主要岩性为熔结凝灰岩、细粒花岗岩，凝灰岩全风化带厚1.5～7.8 m、强风化带厚4.2～15.0 m，花岗岩全风化带厚1.5 m左右、强风化带厚8.5～9.0 m。重力坝建基面要求建在微风化至弱风化中部基岩上，两岸坝段可适当放宽，坝基及边坡的开挖、处理的工程量很大；面板堆石坝坝趾板及粘土心墙堆石坝的心墙建基面可以布置在强风化下部，坝体则可置于风化基岩或密实的砂卵砾石覆盖层上，开挖及基础处理工程量相对少得多。

2）筑坝材料。根据地质勘查结果可知，天然建筑材料中的堆石料勘察储量及质量满足设计要求，混凝土粗骨料可根据用量情况自行加工或外购获取；工程用砂可取自庄边庄镇砂料出售点。因此，堆石料和混凝土骨料可满足三种坝型的设计要求。

防渗土料的勘察储量满足粘土心墙坝的设计储量要求，但天然含水率普遍大于最优含水率，施工时需要进行土料翻晒措施，影响上坝进度并增加工程投资，同时施工过程控制不易，对粘土心墙堆石坝方案影响较大。

2）施工条件。从施工条件上看，三种坝型的施工均已有成熟的施工经验：

相比较而言，面板堆石坝的施工受气候条件影响较小，不受雨季影响，防渗面板与堆石分期施工，相互干扰不大；粘土心墙防渗体施工受雨天影响较大，另外施工时要求心墙与反滤料和坝壳料同步交错上升，施工干扰较大，加之防渗料需要翻晒，则对质量和进度控制带来一定的难度；碾压混凝土重力坝具有施工速度快、水泥用量相对较少、水泥水化热低等特点，缺点是大坝施工在雨季有一定影响，且需进行必要的温度控制及坝体防裂措施。因此，从施工条件分析，混凝土面板堆石坝占优，重力坝一般，心墙坝施工条件较差。

3）施工导流。工程施工导流有分期导流和一次拦断河床采用导流洞进行导流两种方案可供选择。该工程对于面板堆石坝及粘土心墙堆石坝两种坝型而言，采用一次拦断河床采用导流洞进行导流，导流设施根据比选，采用在山体开挖导流隧洞并结合引水发电隧洞布置。

对于重力坝方案考虑，采用一次拦断河道的方案，导流考虑采用河床部位预埋钢管或岸边山体引水隧洞的方案。根据枢纽总布置，河床预埋钢管方案接触部位防渗措施复杂，运行期检修不变，导流钢管在后期改引水钢管存在一定难度，在投资方面由于既要考虑后期导流封堵，又要涉及引水管道的改造，合计投资额较隧洞方案优势不明显，因此综合考虑采用右岸山体引水隧洞兼导流隧洞的方案。

根据以上分析结果，三种坝型最终均选用右岸山体引水隧洞兼导流隧洞的方案。区别在于重力坝方案可以将溢洪道放在坝身上采用溢流坝的型式，土石坝方案将溢洪道放置于左岸。

4）枢纽布置条件。钢筋混凝土面板堆石坝和粘土心墙堆石坝方案，均采用左岸布置开敞式溢洪道的泄洪方式，泄槽末端采用底流消能方式。可以利用溢洪道开挖料上坝填筑，节省部分工程投资；重力坝方案采用坝身3个表孔泄洪方式，底流消能，枢纽建筑物布置紧凑，结构简单。

5）工程投资。从经济上分析，粘土心墙堆石坝方案为13 528.11万元，面板堆石坝方案工程可比造价为13 791.48万元，碾压混凝土重力坝方案为16 224.49万元。与心墙坝相比，面板堆石坝方案高出263.37万元，重力坝方案高出2 433.01万元。重力坝方案投资最大，面板堆石坝方案投资居中。

表1 坝型选择工程投资比较表

综合上述比较，重力坝方案投资明显高于两种堆石坝方案，考虑到当地建筑材料丰富，坝址地形地质条件及枢纽布置情况，该工程宜优先采用当地材料坝。虽然混凝土面板坝方案，比粘土心墙堆石坝方案多263.37万元，考虑到粘土料含水率高，粘土心墙堆石坝方案施工对心墙质量和进度控制有一定困难，选定面板堆石坝方案作为推荐方案。

3 枢纽布置选择

根据选定的坝址及选定的钢筋混凝土面板堆石坝型，结合坝址处实际地形、地质条件，工程总体布置应在保证运行方便和安全可靠的前提下，力求做到节省工程量、便于施工、缩短工期，同时，枢纽的外观与周围环境相协调，在可能条件下注意美观。该工程受地形、地质条件及引水路线的限制，发电厂房仅可布置在大坝下游的两侧河滩地位置；为避免建筑物运行期间相互干扰，溢洪道与发电厂房分开布置。综合以上条件，初拟左岸溢洪道+右岸引水发电系统、右岸溢洪道+左岸引水发电系统两个枢纽布置方案。

1）方案一：左岸溢洪道+右岸引水发电系统方案。

拦河坝采用钢筋混凝土面板堆石坝，坝轴线横跨河道两侧山头，基本为两侧山峰连线。溢洪道布置于左岸山体与大坝之间，引水系统布置在右岸，采用塔式进水口，输水管道可采用坝下基岩内埋管或右岸山体内引水隧洞的方案至大坝下游河道右侧河滩地的发电厂房内。

溢洪道布置在大坝左坝肩，轴线在控制段与坝轴线垂直，顺水流方向包括上游进水渠、控制段、泄槽段、消力池段。

引水系统由塔式进水口、引水隧洞、钢衬段、明管段、岔管段、支管段组成。隧洞直径为2.5 m，引水管道总长约405 m（包含支管段）。

右厂址位于大坝下游约180m的河道及其两岸，紧邻右岸村庄场地，厂房采用地面式布置，基础位于微风化基岩面，尾水渠采用明渠形式，与主河床相接。厂区建筑物包括主厂房、副厂房、开关站、尾水渠等。主厂房长29.60 m，宽12.40 m。副厂房布置在主厂房上游侧，开关站布置在室外。

2）方案二：右岸溢洪道+左岸引水发电系统方案。

拦河坝布置同方案一，溢洪道布置于右岸，但限于地质条件及溢洪道出水条件所限溢洪道布置在近右岸山体，溢洪道左侧紧靠拦河坝，右侧设置均质土坝与右岸山体连接，引水系统布置于左岸，采用塔式进水口，输水管道采用左岸山体内引水隧洞的方案至大坝下游河道左侧河滩地的发电厂房内。

溢洪道布置在河床右岸，由于右岸覆盖层较厚，溢洪道左边墙与面板堆石坝连接，右边墙与均质土坝连接。溢洪道顺水流方向包括上游进水渠、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠，其中进水渠、控制段轴线与坝轴线垂直，泄槽及消力池段轴线向左偏转至河道中间位置。

左岸引水隧洞采用隧洞+钢管引水方案，设计线路位于左坝肩，采用直线布置，长约300.0 m。进口段位于山丘西侧坡脚，出洞口段位于山丘东侧。当设计流量6.4 m3/s，设计水位29 m时，计算的经济直径为1.73 m，结合施工导流要求确定洞径为2.5 m，管道总长约300 m（包含支管段）。电站进水口初拟为塔式，进水口采用2级进水，高程152.5 m进水口为施工导流期进水口，高程157.0 m为运行期引水发电及供水进水口，下层施工完成后封堵。由于左岸现状滩地地面高程较高，为高程165～175 m左右，而施工导流进水口的底高程需在152.5 m左右，出口底高程152.15 m，在进水口前、出水口下游开挖引水渠至现有河道。

左厂址位于大坝下游约200 m的左岸西音村场地上，有公路从山脚下通过，地面高程160.00～163.00 m，场地基本平整，场地较宽阔，可满足布置地面厂房的要求。厂区建筑物包括主厂房、副厂房、开关站、尾水渠等。主厂房长29.60 m，宽12.40 m。副厂房布置在主厂房上游侧，开关站布置在室外。

3）方案比选。工程枢纽总体布置方案主要取决于溢洪道及引水发电系统布置方式的选择，为确定工程枢纽总体布置方案，从以下几方面对上述方案进行比较分析。

①地质条件。地质勘探结果表明，该工程右岸覆盖层较左岸深厚，左岸溢洪道控制段建基面高程为174.5～177.00 m，右岸溢洪道控制段建基面高程为162.50 m，溢洪道长度基本相当，堰顶高程相同，由于右岸覆盖层深厚，右岸修建溢洪道的难度较左岸大；同时为连接右岸溢洪道与右岸山体，需增设一段均质土坝段，在施工工艺上右岸溢洪道方案明显较左岸溢洪道方案复杂，工序繁多。

②溢洪道与面板堆石坝的连接条件。由于右岸覆盖层深厚，且可作为面板堆石坝趾板及溢洪道边墙底板基础的基岩埋深较大，为形成封闭的防渗体系，溢洪道上游侧进水渠左边墙高度约30 m，工程量极大，挡墙浇筑难度大，复杂程度高。左岸溢洪道与面板堆石坝连接方式与右岸溢洪道类似，但由于左岸覆盖层厚度相对较小，连接的复杂性及工程量均相对较小。

③引水发电系统布置条件。根据引水线路选择结论，该工程采用引水建筑物与导流建筑物结合方式，施工期用作导流，施工期末封堵导流孔，改建为永久供水建筑物。同时根结合引水方式选择，采用右岸坝基下埋管虽投资略省，但坝与埋管结合部位防渗措施较复杂，存在一定的安全隐患且不便于检修。而左岸布置引水系统的方案，由于左岸现状滩地地面高程较高，为高程165～175 m左右，施工导流进水口的底高程需在152.5 m左右，出口底高程152.15 m，需在进水口前、出水口下游开挖较深的引、出水渠连接现有河道，且进水口本身位于深厚覆盖层上，开挖支护量较大，经济性较差。推荐采用右岸山体引水隧洞方案。

④施工条件。溢洪道若布置在右岸，由于右岸覆盖层较深，基岩埋深大，溢洪道的开挖高程较低，整体工程量偏大，且溢洪道布置在右岸，溢洪道临山体侧开挖后形成的高边坡范围大，相应边坡防护等工程措施较多。施工工序复杂程度加大，溢洪道及两侧边坡开挖工程量大，弃土多，工程大坝基础开挖工程量本已较大，弃土较多，对于工程相对较小的施工场地，增加溢洪道设置在右岸带来的巨大边坡开挖土方量，势必将施工条件变得愈为恶劣，施工难度加大。

⑤投资比较。分析左、右岸溢洪道主要工程量及投资情况，可得出：

左岸溢洪道方案可比投资较右岸溢洪道方案节省820.79万元，左岸溢洪道方案经济型较优。枢纽总体布置方案在经济性上采用左岸溢洪道加右岸山体引水隧洞的方案最佳。

⑥溢洪道位置及枢纽总体布置方案的选择。过以上两个不同溢洪道位置方案在地质条件、与面板坝的连接条件以及经济性方面，并综合考虑溢洪道出水条件，选定采用左岸溢洪道布置方案。

通过两个枢纽布置方案在单体建筑物方面的比较以及整体枢纽的协调性、与地质条件适应性，以及经济型方面的比较，选定采用与溢洪道位置比选相一致的左岸溢洪道加右岸山体引水隧洞的枢纽总体布置方案。