信丰三只水水库大坝设计方案比选

2018-12-10平凡，刘佳

水利规划与设计 2018年11期

平凡，刘佳

(赣州市水利电力勘测设计研究院，江西赣州 341000)

信丰县地处江西省南部，赣州市中部，居贡水支流桃江的中游，东与安远县交界，南与全南、龙南、定南三县相连，西与广东省南雄市毗邻，北与大余县、南康区、赣县接壤，处于大赣州都市区1小时城市经济圈，广州、深圳和南昌4小时经济圈，是珠三角、海西经济区的直接腹地。随着城市规模的扩大，城镇人口的快速增加，城区日益增长的日常生活用水及工农业生产用水矛盾越来越突出。信丰县城区现有马鞍山水厂及信丰县第二自来水厂，均已经超负荷运行。马鞍山水厂扩建水质污染风险较高，第二自来水厂水源龙井水库扩建对上游影响较大。故迫切需要新建三只水水库作为下游龙井水库的补充水源，满足城区用水需求。

1 概述

三只水水库坝址位于信丰县东部古陂镇大屋村三只水小组，距信丰县城约45km，属桃江二级支流，大桥河一级支流石背河下游。拟建的三只水水库坝址控制集水面积48.3km2，主河道长21.6km，河道纵比降14.7‰。

水库的工程任务是枯水期解决下游龙井水库供水量不足，作为龙井水库补充水源，增加龙井水库蓄水量，提高其供水能力。

本流域属亚热带东南亚季风气候区，气候温和、雨量充沛。根据信丰县气象站多年资料统计，多年平均气温为19.5℃，极端最高气温39.4℃，极端最低气温-4.1℃，多年平均降水量1623.5mm，多年平均蒸发量1193.2mm，多年平均相对湿度77%，多年平均日照时数1810h，平均无霜期为298d，多年平均最大风速11.3m/s。

2 大坝地质条件

2.1 库区地质概况

库区工程区为低山丘陵区，地势总体趋势是北东高、南西低，山脉大体呈北东走向，库区两侧山体较雄厚，植被发育，库区地表大部分基岩出露，部分地表为第四系残坡积覆盖，但覆盖层较薄。

据区域地质资料，工程区无活动性断裂通过，本区域自晚更新世以来地壳运动不强烈，历史上未发生较强地震，区域构造相对稳定。据GB 18306—2015《中国地震动峰值加速度区划图》界定，工程区地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为0.35s。

库区地下水类型为第四系松散层孔隙潜水与基岩裂隙水。库区两岸未发现规模较大且导水性强的断裂构造通向库外，水库无渗漏问题。水库蓄水后地质环境改变小，不存在水库诱发地震的可能性。

2.2 坝址地质概况

坝址区属丘陵剥蚀地貌，海拔高程、地形起伏变化较大，两岸地形总体较对称，山体雄厚，河谷呈“V”型，河谷较窄，河谷宽度约20～25m。河床表面大部分为卵石或漂石覆盖，局部基岩裸露。

坝区河床段坝基岩体岩性为石英砂岩，风化剧烈。坝基岩性为弱风化石英砂岩夹粉砂岩，岩体节理裂隙较发育，岩体完整性相对较好，具弱～中等透水性；左岸岩体弱风化层透水性弱～中等；右岸岩体弱风化层透水性弱～中等。

3 工程布置

根据选定坝址的地形地质条件、天然建筑材料情况，初拟了混凝土重力坝、混凝土面板堆石坝和混凝土拱坝三种坝型，分别进行地质条件、施工条件、工程管理、经济方面的比选。

3.1 混凝土重力坝方案

大坝由挡、泄水等建筑物组成。坝轴线上从左至右分别为左岸非溢流坝段、溢流坝段、右岸非溢流坝段。溢流坝布置在河床中部，大坝坝顶高程261.00m，坝顶全长163m，其中：溢流坝段长34m，左、右岸非溢流重力坝段长分别为59m、70m。

非溢流坝段坝顶高程261.000m，坝顶宽5.5m，最大坝高51.5m；上游面245.00m高程以上为铅直面，以下为1∶0.25的斜坡面；下游255.00m高程以上为铅直面，以下为1∶0.75的斜坡面。采用C15埋石混凝土，坝体基础采用C25混凝土，临水面设厚1.5m的C25混凝土面板，坝顶C25混凝土厚1.0m。

溢流坝段布置在主河床中部，建基面高程205.0m，最大坝高56.0m，为3孔表孔溢流堰组成，单孔净宽10m。溢流堰按WES曲线设计，采用挑流消能。上游面245.00m高程以上铅直面，以下为1∶0.25斜面。坝体基础采用C25混凝土；坝体上游面为设C25混凝土防渗面板，厚1.5m；溢流堰面采用C30混凝土，厚1.0m。

取水设施布置在大坝左岸非溢流坝段上。为了解决水库在特殊时期需放空水库及施工期导流的问题，在溢流坝段底部设置放空孔兼导流孔以备使用。

3.2 混凝土面板堆石坝方案

根据坝址地形地质条件，采用右岸底部布置引水隧洞、右岸坝肩布置溢洪道的工程布置方案。

混凝土面板堆石坝坝顶长158m，坝顶宽8.0m，最大坝高55.0m。校核洪水位(p=0.33%)260.740m，在考虑波浪爬高及安全超高后，于上游侧设置防浪墙，坝顶高程261.000m，防浪墙顶高程262.200m，坝基开挖高程207.300m。上游坝面为一级坡，坝坡取1∶1.3；下游侧于245.000m、229.000m高程处各设置2.0m宽的马道，217.000m高程处设置宽5.0m的马道，高程217.000m以上坝坡为1∶1.3，以下为1∶1.5。大坝自上游向下游分别为钢筋混凝土面板、垫层区、过渡层区、主堆石区、副堆石区，下游坝面采用干砌石护坡。钢筋混凝土防渗面板厚0.3～0.6m，面板每8m分缝；趾板宽度7.0m，厚0.6m。

堆石体共分垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区，各分区材料要求如下。

(1)垫层区为面板下的半透水性垫层料，垫层料为级配良好的水工砂砾料，最大粒径100mm，小于5mm的颗粒含量为40%～50%，小于0.1mm的颗粒含量不大于5%～10%。

(2)垫层料下为过渡区，即透水垫层料。过渡材料要求具有压缩性小，强度高，对2A区垫层料具有反滤保护作用。

(3)主堆石区，要求级配良好的堆石料，最大粒径为600mm。

(4)下游副堆石区使用任意级配的开挖石料，即强风化石料，最大粒径600～1000mm。

溢洪道布置在大坝右岸，紧邻大坝布置，由山体开挖而成，采用宽敞式无闸泄流方式，平面布置呈折线形，水平总长172.006m。

引水隧洞布置在大坝右岸，隧洞总长280m，采用圆形有压洞，隧洞内径为1.8m，钢筋混凝土衬砌厚0.4m。

3.3 混凝土拱坝方案

大坝采用单心圆双曲拱坝，坝顶外拱弧长198.00m，由左、右岸非溢流坝及溢流坝组成，其中左岸非溢流坝外拱弧长76.00m，右岸非溢流坝外拱弧长88.00m，溢流坝外拱弧长34m。坝顶高程261.00m，设计最大坝高58.0m，坝顶宽4.0m，最大底宽13.8m，厚高比0.238。拱坝坝体采用C15混凝土浇筑，上游面设1.5m厚C25混凝土防渗面板。

由于坝址附近缺乏适宜布置岸边溢洪道的垭口，因此采用坝顶溢流。溢流坝为无闸控制出流，布置在大坝中部。溢流坝分3孔，每孔净宽10m。溢流堰采用WES曲线型实用堰。溢流堰体采用C30混凝土，堰面及两侧边墙(宽1.0m)采用C30混凝土浇筑。

引水隧洞布置在大坝右岸。隧洞取水口位于左坝头上游约110m处，隧洞总长275m，采用圆形有压洞，隧洞内径为1.8m，C25钢筋混凝土衬砌厚0.35m。

4 综合比较

4.1 地形地质

坝址所在位置河谷呈“V”形，坝址处两岸地形陡峭，地形无垭口，根据坝基及两岸坝肩岩体地质描述，坝址区基岩岩性为泥盆系上统中棚组石英砂岩夹粉砂岩。由于构造裂隙较为发育，同时受风化营力的作用，坝基及两岸坝肩岩体存在不同程度的风化特征，分为强风化、弱风化(上带、下带)2个风化带。若考虑新建拱坝则对地质条件要求较高，两岸坝肩岩体主要为弱风化上带，该层岩体RQD值较低，岩体质量差，且坝址处坝基岩石地质节理裂隙发育，因此建造拱坝时拱坝坝基开挖较深。

4.2 料场

根据建筑材料的实地调查成果，天然建筑材料中土料场有南坑口土料场运距约25km、南坑尾土料场运距约27km，料场储量丰富，土料质量较好，但运距较远，且开采取土困难；块石料场有西牛石料场，料场石料质量及储量均满足要求，料场运距42km；本工程砂砾石料场运距较远约42km；就料场条件而言，坝型若采用混凝土重力坝，可就近拌制混凝土料，能就近取材，节约工程建设时间、材料运输时间及成本，混凝土重力坝或拱坝方案优于混凝土面板堆石坝方案。

4.3 施工

从施工方面分析，混凝土浇筑量拱坝比重力坝少4.87万m3，但拱坝的施工技术要求更高，技术较为复杂，同时拱坝温度变化对坝体应力及稳定影响很大，因此对坝体浇筑的温度控制要求更高；而重力坝虽然混凝土浇筑方量更大，但是施工较为简单，技术要求更低，有利于加快施工进度，同时重力坝利用自重稳定，对温度变化的适应性更强，对坝体浇筑的温度控制要求比拱坝较低，因此从施工方面看，重力坝比拱坝更优。

从前期施工方面比较，重力坝的开挖量不大，可顺利在枯水期浇筑至汛期水位。而拱坝开挖量较大(比重力坝多5.54万m3)，开挖难度较高，对前期施工的要求较高。因此从前期施工方面比较采用重力坝比拱坝更优。

堆石坝方案则取材困难、大坝施工必须通过先开挖隧洞导流，施工要跨两个枯水期，工期明显要长。受导流隧洞过流能力影响，要修建比较高的围堰，施工风险较大，另外，堆石坝施工受天气影响大，施工质量控制相对较难。

就施工条件而言，混凝土重力坝方案具有枢纽建筑物组成简单、施工导流难度相对较小、施工工期短的优点，重力坝坝型比拱坝、堆石坝型更优。

4.4 工程管理

从工程运行管理分析，混凝土重力坝在枢纽布置方面较为集中，混凝土重力坝则只需在坝体埋管设闸阀放水至下游即可，无需其他附属设施。建筑物运行管理方便、安全可靠；而堆石坝方案枢纽布置需另新建引水系统及泄洪建筑物，建筑物运行管理不方便。就工程运行管理而言，混凝土重力坝明显优于其他坝型。

4.5 征地移民

混凝土重力坝及拱坝方案建筑物布置紧凑，大坝断面相对较小，相应枢纽工程征地移民投资少；混凝土面板堆石坝方案建筑物分散、大坝断面大，相应征地移民投资大。就征地移民而言，混凝土拱坝及混凝土重力坝方案优于混凝土面板堆石坝。

根据以上坝型选择比较分析，经设计计算，上述三种坝型的主要工程量及投资比较、优缺点比较详见表1、表2。

从表1、表2可知，混凝土堆石坝方案由于堆石方量大，块石运距远，堆石碾压要求高，大坝体型大，相应建筑工程投资大，较混凝土重力坝多4118.3946万元，因此，从地形地质条件、料场条件、施工条件、工程管理、征地移民及工程投资等综合比较，混凝土重力坝方案优于混凝土面板堆石坝方案；混凝土拱坝方案比混凝土重力坝方案总投资仅少594.3145万元，因此从投资方面比较宜选择埋石混凝土坝或混凝土拱坝。但是采用混凝土拱坝对施工技术要求更高，技术较为复杂，同时拱坝温度变化对坝体应力及稳定影响很大，因此对坝体浇筑的温度控制要求更高；而重力坝虽然混凝土浇筑方量更大，但是施工较为简单，技术要求更低，有利于加快施工进度，同时重力坝利用自重稳定，对温度变化的适应性更强，对坝体浇筑的温度控制要求比拱坝较低。