交口县南河水库工程设计坝型比选

2020-01-05冯城伟

山西水利 2020年8期

冯城伟

（山西水务交口供水开发建设管理有限公司，山西太原 030002）

1 工程概况

南河水库坝址位于交口县东部的大麦郊河支流南河上，距交口县城直线距离20 km，距桃红坡镇3.0 km。坝址以上主河道长13.2 km，河道平均纵坡26.1‰，流域平均宽度2.38 km，流域形状系数0.181，属山区长形流域。水库从中部引黄工程交汾灵支线隧洞取水，经大麦郊地下泵站提水注入库内。

2 坝型分析

根据可行性研究阶段选定的上坝址，对混凝土面板堆石坝、粘土斜墙砂砾石坝、均质土坝、胶凝砂砾石坝四种坝型的工程布置、施工条件、建筑材料、工期、投资等方面进行综合论证比较。

2.1 混凝土面板堆石坝方案

2.1.1 大坝设计

上坝址混凝土面板堆石坝方案由大坝、溢洪道、取水兼放空埋管及库区水平防渗等建筑物组成。大坝设计洪水标准为50年一遇，入库洪峰流量64.20 m3/s，设计洪水位1 171.87 m。校核洪水标准为1 000年一遇，入库洪峰流量67.36 m3/s，校核洪水位1 172.58 m。水库正常蓄水位1 171.00 m，死水位1 150.18 m。

混凝土面板堆石坝方案枢纽布置：主河床布置混凝土面板堆石坝，右岸布置开敞式溢洪道，取水兼放空埋管布置于大坝右岸。坝顶高程为1 172.60 m，防浪墙顶高程1 173.80 m。最大坝高49.6 m，坝顶宽6.0 m，坝轴线长344.62 m，坝顶采用混凝土路面，坝顶设“L”型防浪墙。

坝体分区从上游至下游依次为上游盖重区、上游铺盖区、混凝土面板、垫层、过渡层、主堆石区、下游堆石料区和超径抛石区。大坝上游设钢筋混凝土面板防渗，采用40 cm等厚面板。趾板布置采用利于施工的平趾板，顺地形布置。河床及左右岸趾板基础均坐落于弱风化白云质灰岩中上部。面板坝在岸坡及河床趾板范围内进行固结灌浆，共分3排布置，间排距均为2.0 m，灌浆深度为5 m。

2.1.2 施工条件

工程区属亚寒带大陆性气候，多年平均降水量为569.9 mm，汛期（6～9月）降水量占全年的70%，多年平均蒸发量为1 678.2 mm。冬季气温低，12～2月平均气温零度以下，需停工。坝址下游河谷宽平，平时无水，现状多被当地居民开垦为旱地，施工场地及生活办公设施，可布置于两岸高程稍高位置。

施工交通、供电条件较好，天然建筑材料储量丰富、运距近。施工及生活用水从桃红坡镇深部岩溶水井取水，取水时间需避开当地居民用水高峰时段，由管道输水至施工现场调蓄水池储存使用，管道距离约6 km。施工导流：坝址两岸岩体裂隙岩溶发育，采用隧洞导流成洞条件差，导流洞需全断面衬砌，造价高，施工工期长。计划施工总工期29个月。

2.2 粘土斜墙砂砾石坝方案

2.2.1 大坝设计

粘土斜墙砂砾石坝正常蓄水位为1 171.00 m。坝顶高程为1 172.60 m，防浪墙顶高程1 173.80 m。坝顶宽度为6 m，最大坝高47.60 m，坝顶长344.0 m。坝顶采用混凝土路面，厚度25 cm，为排除雨水，坝顶向下游单向倾斜，坡度为2%。在坝顶上游侧设置C 25钢筋混凝土防浪墙，墙顶高出坝顶1.2 m，防浪墙顶高程1 173.80 m，墙高2.5 m，底宽2.6 m，墙厚0.5 m。粘土斜墙位于大坝上游面防冻层下游侧，顶部高程1 171.30 m，顶部水平宽度3 m，底部高程1 118.44 m。粘土斜墙上游侧坡度与上游坝坡保持一致，斜墙底部至基岩，形成截水槽，截水槽底宽8.0 m。

粘土斜墙上游侧，加设复合土工膜增强防渗效果，坝体填筑分区从上游至下游依次为上游垫层、上游防冻层、粘土斜墙、反滤层、砂砾石区、下游排水棱体。为使粘土斜墙砂砾石坝工作安全可靠，需对坝基及两岸岸坡进行处理，将粘土斜墙砂砾石坝基础嵌入下部较密实的砂砾石层中，并对坝基下砂砾石进行一定的强夯压实处理，防止坝基产生不均匀变形。

2.2.2 施工条件

与面板堆石坝方案相同，土料场和砂砾石料场均位于大坝下游，筑坝材料可通过布置于下游坝坡上的临时道路运输上坝。坝体施工总进度安排与面板堆石坝差别不大，上游坝面防渗复合土工膜和护坡施工无需等待坝体沉降，计划施工总工期26个月。

2.3 均质土坝方案

2.3.1 大坝设计

最大坝高45.6 m，坝顶长度344.0 m，设计坝顶高程1 172.60 m，防浪墙顶高程为1 173.80 m，坝顶宽度6.0 m。坝体上游坡比从上至下分别为1∶2.75、1∶3.0，在高程1 151.00 m处设宽2.0 m的马道。坝体下游坡比从上至下分别为1∶2.25、1∶2.5，在高程1 153.00 m处设宽2.0 m的马道。块石排水棱体平台高程1 133.00 m，顶宽3.0 m，内坡坡度为1∶1，外坡坡度为1∶1.5。上游坝面护坡采用300 mm厚干砌石护坡，从坝顶1 172.60 m高程，护至坝脚。库区水平防渗沿坝基敷设至坝体内60 m。下游坝面护坡采用300 mm厚干砌石护坡，从坝顶1 172.60 m高程，护至排水棱体顶部1 133.00 m高程。在坝轴线上游侧设截水槽，底宽10.0 m，截水槽底高程位于强风化岩基上。坝体填筑分区主要为坝体及排水棱体。大坝左岸覆盖层为黄土状粉质壤土，具有中等湿陷性，需全部挖除，右岸岸坡砾质土全部挖除，其他部位平均清基厚度约为1.0 m。

2.3.2 施工条件

与面板堆石坝方案相同。均质土坝坝体材料单一，施工方便，但粘土填筑受降雨和低温影响较大。坝体计划施工总工期25个月，施工总工期受库区水平防渗处理控制，库区水平防渗施工总工期为27个月。

2.4 胶凝砂砾石坝方案

2.4.1 大坝设计

胶凝砂砾石坝设计洪水标准为50年一遇（洪峰流量64.20 m3/s），校核洪水标准为1 000年一遇（洪峰流量139.00 m3/s），正常蓄水位1 171.00 m。坝顶高程1 172.60 m，防浪墙顶高程1 173.80 m，最大坝高53.6m，坝顶长度343.0 m，坝顶宽度6.0 m，坝长343.0 m。上游侧设防浪墙，墙顶高程1 173.80 m，高出坝顶1.2 m，下游侧墙设1.0 m高预制C 20混凝土栏杆。

坝址处河床表层覆盖砂砾石层，上部松散，下部结构较密实，下伏基岩为奥陶系中统峰峰组白云质灰岩夹泥质灰岩。左岸多为第四系黄土状壤土覆盖，右岸为的砾质土，两岸基岩零星出露。胶凝砂砾石坝可建在强风化上部基岩上，坝基下覆盖层较全部清除，基础坐落于强风化白云质灰岩上部。胶凝砂砾石坝河床及岸坡基础均进行固结灌浆，灌浆孔间排距均为2.0 m，灌浆深度为5.0 m。

2.4.2 施工条件

与粘土斜墙坝方案及面板堆石坝方案相同，砂砾石料场位于大坝下游，筑坝材料可通过分层布置于下游岸坡上的临时道路运输上坝。坝体填筑砂砾石从料场开采后运至拌合站堆料场，经格筛剔除超径石料后，由拌合站拌制，成品料直接由自卸汽车运输上坝填筑，推土机平仓，振动碾碾压。计划施工总工期21个月。

3 坝型比较分析

3.1 地形地质条件

本工程坝址处河谷地形较为开阔，河床及两岸覆盖层较厚，地形地质条件对以上4种坝型均不存在制约。但胶凝砂砾石坝基础需座落在基岩上，河床及两岸覆盖层开挖工程量较大，基础处理工程量较大。

3.2 工程布置

均质土坝方案、面板堆石坝方案、粘土斜墙砂砾石坝方案的布置型式基本相同，各建筑物间相对分散。胶凝砂砾石坝方案挡、泄、取水建筑物均至于主河床，布置相对集中，充分利用了其“重力坝枢纽”布置的特点。各方案的库区水平防渗布置，河床及两岸覆盖层均采用铺设土工膜及基岩面浇筑混凝土面板的防渗形式，防渗布置相同。从工程布置和库区防渗布置上看，4种方案均合理可行，胶凝砂砾石坝方案布置集中，利于泄洪、取水及放空，且泄洪取水工程量较少，此方案略占优。

3.3 建筑材料

本工程天然建筑材料丰富，可充分利用当地建材筑坝，3 km内运距的天然建材储量及质量，均可满足以上坝型的筑坝需求。4种方案均合理可行。

3.4 施工条件及工期

各方案施工条件和施工导流方案相同。面板堆石坝石料场位于大坝上游，石料运输的上坝道路要跨越趾板，需对趾板进行保护，上坝道路占压部分水平防渗，需待上坝道路拆除以后施工；其他方案坝料均通过布置于下游坝坡上的临时道路运输上坝。

面板堆石坝坝体预沉降和防渗面板浇筑工期较长，总工期29个月；粘土斜墙坝总工期为26个月；均质土坝方案总工期为25个月；胶凝砂砾石坝坝体工程量较小，雨季时的施工要求较低，总工期21个月。各方案中面板堆石坝方案在施工布置和施工工期方面条件稍差。综合考虑各方案施工总工期均受库区水平防渗处理控制，施工总工期均在33个月左右。