五当召水库坝址坝型比选设计

2018-03-24刘春艳

山西水利 2018年1期

刘春艳，郭　涛

（太原市水利勘测设计院，山西　太原　030002）

1　工程概况

内蒙古自治区包头市石拐区位于市区东部，大青山南麓、土默川西部，西南与包头市九原区毗连，南与包头市东河区相邻，东与包头市青山区接壤，总面积761km2。五当召是国家重点文物保护单位、4A级旅游景区，是中国藏传佛教的四大名寺之一，也是内蒙古自治区最大的藏传佛教寺院。

拟建的五当召水库位于包头市石拐区的五当召沟内，五当召是五当沟的一级支流，五当沟系黄河一级支流，发源于包头市固阳县下湿壕镇头道井山顶，向西北倾斜。

2　工程建设必要性

随着国民经济的发展，乡镇规模不断扩大，特别是区内旅游业发展潜力巨大，而本工程区距五当召景区仅2.5km，与之配套的地方特色农业急需发展，因此，迫切需要修建水利工程以增加景区的美誉度；其次，随着乡村经济的发展壮大，乡镇和村庄以及河流两岸的农田基地，急需提高防洪能力；再次，作为黄河一级支流的五当沟，修建五当召水库可每年减少黄河泥沙汇入2.27万m3，50年可减少113.5万m3泥沙汇入黄河。通过水库的建设，不仅可以促进当地经济的可持续发展，同时将带来巨大的生态和社会效益。

3　工程任务和规模

3.1　工程任务

结合水库下游防洪要求和当地国民经济发展对水资源的需求，确定本次水库建设任务为以防洪为主，兼顾旅游和灌溉。

水库下游防洪保护对象有：自然村4个（毛忽洞村、碱水渠村、席麻塔村、牧业队）、耕地233.33hm2、人口1500人、牲畜存栏数3500头，还有巨龙焦化厂、包头市佳远化工有限责任公司，包头市军远工贸有限责任公司等企业。此外，五当召水库还担负下游毛忽洞村、碱水渠村、席麻塔村及牧业队66.67hm2耕地的灌溉任务。

3.2　工程规模

水库总库容为126.6万m3，其中死库容48.8万m3，兴利库容19.7万m3，调洪库容58.1万m3，水库控制流域面积为31.8km2，坝长125m，坝高34.4m。

4　工程等别和建筑物级别

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定该水库属小（一）型水库，工程等别为Ⅳ等，其主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级，枢纽建筑物设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为200年一遇，施工导流洪水重现期为汛期5年一遇。

5　工程选址比选

5.1　选址原则

一是可以满足用水需求的库容条件及应对特大洪水的泄流条件；二是较好的坝址地形地质条件；三是水库淹没损失小，枢纽布置方案经济合理；四是较为便利的施工条件。

5.2　坝址地形、地质条件比较

从地形条件来看，水库大坝要尽可能建在口小肚大的地方，综合考虑了地形、地质、建材、枢纽布置等因素后选择两处水库坝线进行方案比较，即上坝线和下坝线。

5.2.1上坝线方案

上坝线位于浆砌石拱桥上游270m处，坝址处河沟底宽约60m，两岸山坡陡峻，花岗片麻岩裸露，坡度为45°左右，岩脉走向基本与河流主流垂直，岩层倾角60°～70°，并且向库区倾斜，基础岩石较完整，无需地基处理，有利于水库蓄水防漏。上坝线上游2.5km处为五当召景区。

5.2.2下坝线方案

下坝线位于浆砌石拱桥下游1.5km处，坝址处河沟底宽约80m，两岸山坡较陡，坡度约40°～45°左右，花岗片麻岩有部分裸露，大部分为表土覆盖，基础岩石较破碎，需做地基处理，主河床沙砾石覆盖较厚。

从地形地质条件比较，上坝址较优。

5.3　上、下坝址枢纽建筑物布置及施工条件

5.3.1上坝址枢纽建筑物布置及施工条件

由于该坝址两岸高山陡峻，没有布置溢洪道的条件，且五当召沟为石质山区，石料开采方便，混凝土骨料砂、砾、卵石均可就地取材。因此，上坝址方案较为理想的坝型为混凝土坝，采用底孔泄洪冲沙洞泄洪。5.3.2下坝址枢纽建筑物布置及施工条件

该坝址下游有取土场，且运距不远，可选用土坝，拟采用带粘土心墙的土坝方案，使用底孔泄洪洞泄洪，泄洪洞布设于主河槽中，水库运行方式与上坝线相同。大坝迎水面设0.4m厚干砌石护坡，背水面采用混凝土网格碎石护坡，坝顶筑防浪墙，下游坡脚设置排水棱体。泄洪冲沙洞进口建启闭塔，并用工作桥通至坝顶。大坝前后坡中部均设马道，马道和山坡与大坝交界处修浆砌石排水沟。

两个坝址的施工条件都比较便利。

5.4　库容条件及水库淹没损失比较

以防洪为首要任务的水库，防洪库容的大小决定了坝址方案的选择。经计算分析五当召水库上、下两坝线处库容基本相同，因此对坝址方案选取则应重点考虑水库的淹没影响。在水库的兴建过程中，淹没问题涉及到许多社会问题，且很难解决，下坝线占地较多，且涉及14户居民的淹没补偿及搬迁问题，因此在方案比选中处于劣势。而上坝线距五当召景区较近，有利于促进旅游业的发展，从而带动当地经济发展。

综合考虑以上各种因素，本次设计选择上坝址作为五当召水库枢纽坝址。

6　坝型比选

根据上坝址的现状地形、地质条件，坝基岩性、两岸坡度、施工条件、建筑材料等因素，选定混凝土重力坝、堆石混凝土重力坝和砌石重力坝进行比较。

6.1　混凝土重力坝

混凝土重力坝是一种传统坝型，技术成熟，适合大型机械化施工，造价较高，由于施工技术较复杂，温度控制和裂缝控制难度高，故对施工队伍的技术素质和机械化水平要求较高。

本工程所在地区石料丰富，混凝土细骨料经水洗处理后可满足工程所需，工程沿线没有混凝土粗骨料，建议进行外购。

6.2　堆石混凝土重力坝

堆石混凝土是一项创新混凝土筑坝施工技术。该技术是以高流动性自密实混凝土技术为基础的大体积混凝土施工技术。方法是先将大粒径块石入仓，然后从堆石体上部浇入专用的自密实混凝土，利用其高流动性完全充填堆石体空隙，形成完整、密实、有较高强度和低水化热的大体积混凝土。堆石混凝土坝比普通混凝土坝水泥用量少，且造价较低。

6.3　砌石重力坝

砌石重力坝有水泥砂浆砌石和一级配混凝土砌石两种施工方法。砌石坝的强度和均质性弱于混凝土坝，按以往的施工经验，水泥砂浆砌石坝施工材料和质量均缺乏保证，特别是混凝土防渗墙工艺粗糙，往往形成漏水通道。我国南方地区采用的一级配（小石子）混凝土砌石，采用振捣棒振捣，其施工质量显著高于前者，但使用人工较多，劳动强度大。

经比较，在发挥同等效益的条件下，混凝土重力坝造价最高，堆石混凝土坝略高于砌石坝。本次设计就堆石混凝土坝和一级配混凝土砌石坝进行比较，一级配混凝土砌石坝造价相对较低，但质量控制难度较大，堆石混凝土坝施工作业机械化程度较高，工人劳动强度小，质量较易控制。同时，现在人工单价越来越高，砌石重力坝的价格优势已不明显。

因此，本次设计确定采用堆石混凝土重力坝坝型，最大坝高34.4m，坝轴线长度125m，水库总库容126万m3，枢纽工程包括大坝（挡水坝段和溢流坝段）、泄洪冲沙洞等。