花坝水库大坝坝址坝型比选及结构布置

2020-02-11白超

广东水利水电 2020年1期

白超

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州遵义 563002)

1 工程概况

花坝水库位于桐梓县芭蕉镇北部的桥沟中游，桥沟为羊蹬河左岸三级支流，复兴河左岸二级支流，帅家沟右岸一级支流，属于长江流域綦江水系。坝址以上流域面积为2.74 km2，多年平均入库径流量为154万m3。工程任务为集镇、农村供水及农田灌溉，设计水平年(2030年)年供水量为103万m3。正常蓄水位为1 018.00 m，相应库容为78.1万m3，总库容为89.0万m3。水库枢纽主要由沥青混凝土心墙坝、右岸开敞式溢洪道、左岸取(放)水建筑物等组成，最大坝高为48 m。水库规模为小(2)型，工程等别为Ⅴ等。

2 建坝河段及坝线坝型比选

2.1 建坝河段选址

结合芭蕉镇发展规划、区域用水户缺水情况等，设计确定花坝水库工程任务为集镇、农村供水及农田灌溉。区域2030年需水量为106.9万m3/a，现状水源无更新改造、续建配套的条件，现状水源供水量为16.7万m3/a，缺水量为90.2万m3/a，缺水率达84.4%。为解决芭蕉集镇7 800人生活用水问题、输水管沿线及灌区4 500人用水问题和下游230.66 hm2灌面的用水问题，区域必须新建水源工程才能满足需水要求。芭蕉镇所在区域主要分布有复兴河及其支流作坊沟、大洞沟、帅家沟、黄沟溪、桥沟等，与复兴河干流呈树枝状发育展布，复兴河干流河床总体平缓，其上游河段与支流河床比降总体较大。总体区域水系相对较发育，但区域受地质构造影响，区内岩溶发育，水资源开发条件差，利用困难，境内水利工程较少，受水区目前没有稳定的供水水源工程，是桐梓县目前缺水较严重的区域，属于典型的工程性缺水地区。芭蕉镇区域流域分布如图1所示。

1) 复兴河

发源于桐梓县芭蕉镇长岩村的正家湾，属綦江右岸二级支流，羊蹬河左岸一级支流，全流域面积为259 km2，河长为28.7 km，平均坡降为16.7‰。复兴河半坡至芭蕉集镇河段建坝成库存在深部岩溶渗漏问题，防渗处理难度及工程量极大；半坡以上至河源河段两岸多为碎屑岩地层分布，虽不存在岩溶渗漏问题，但该河段河床比降总体较大，集雨面积小(仅1.2 km2)，来水量不能满足区域用水需求，不考虑在复兴河干流修建花坝水库工程作为受水区供水水源。

2) 作坊沟

作坊沟发源于桐梓县芭蕉镇顶箐山，全流域面积为2.5 km2，多年平均径流量为150万m3，主河道长为3.66 km，主河道加权平均比降为110‰。作坊沟来水量较小且全流域河谷深切，山高坡陡，河段比降大，无建坝成库条件。

图1 芭蕉镇区域流域分布示意

3) 大洞沟、黄沟溪和帅家沟

3条河流均为羊蹬河左岸二级支流，复兴河右岸一级支流，其中：大洞沟发源于桐梓县芭蕉镇顶箐山，全流域面积为5.8 km2，多年平均径流量为348万m3，河长为4.42 km，主河道加权平均坡降为93.9‰；黄沟溪发源于桐梓县芭蕉镇笋子槽，全流域面积为10.4 km2，多年平均径流量为624万m3，河长为5.5 km，主河道加权平均坡降为60.2‰；帅家沟发源于桐梓县芭蕉镇苗寨坪，全流域面积为13.0 km2，多年平均径流量为780万m3，河长为4.74 km，主河道加权平均坡降为84.0‰。黄沟溪锣鼓坪以上河段和帅家沟河流河道比降大，河谷深切，两岸多为陡崖，无有效库容，不具备建坝成库条件。大洞沟和黄沟溪锣鼓坪至河口河段河道，受区域断层构造影响，流域内岩溶发育，河谷多形成干谷，仅汛期暴雨季节河谷见水流，雨过天晴河水迅速下潜，河流干涸。建坝成库存在深部岩溶渗漏问题，防渗处理难度及工程量极大[1-2]，也不考虑在这3条河流上修建花坝水库。

4) 桥沟

桥沟为羊蹬河左岸三级支流，复兴河左岸二级支流，帅家沟右岸一级支流。发源于桐梓县芭蕉镇长岩村的糍粑店，全流域面积为3.75 km2，地表分水岭外补水面积为0.24 km2，河长为4.1 km，流域形状系数0.223，主河道加权平均坡降为74.0‰，多年平均径流量为229万m3。桥沟上游河段集雨面积小，来水量有限，不能满足受水区用水需求。下游河段洞湾断层F1以下河流总体较顺直，两岸地形陡峭，对称性较好。出露地层岩性均为寒武系上统毛田组(∈3m)白云岩,白云质灰岩及灰岩，两岸基岩多裸露。该河段地形条件虽较好，但地层岩性不均一，岩溶发育强烈，存在沿强岩溶层向下游、两岸低邻谷及左岸高速公路隧洞渗漏问题，建坝成库防渗工程量极大，处理难度极大，不宜建坝成库。桥沟中游石坝子河段两岸地形相对较对称，岸坡相对较缓，河床比降相对平缓，出露地层主要为寒武系上统毛田组(∈3m)、奥陶系下统桐梓组(O1t)、湄潭组(O1m)及第四系(Q)地层。该河段地形地质满足建坝成库条件，且来水量能够满足受水区用水需求，供水对象均能够满足自流供水，该河段具有建坝唯一性，优选桥沟中游石坝子河段作为花坝水库工程建设场址。

2.2 坝型比选

根据建坝坝址处的地形地质条件，区域构造洞湾断层F1以下为强岩溶地层，存在深部渗漏问题，防渗处理难度极大。2、4号冲沟处断层F1带受断层切割影响，风化深度大，岩体破碎，多呈散体或碎裂状结构，岩体质量差，断层带透水性强，建坝基础处理及防渗处理工程量大，处理难度大。结合花坝水库规模要求及枢纽布置，建坝选择在F1断层上游左岸1、2号冲沟及右岸3、4号冲沟之间河段。该河段两岸均有冲沟发育，右岸为相对单薄的脊状山体，两岸地形对称性较差。河床多为厚3～6 m冲洪积砂卵砾石、崩塌块石等覆盖层，岸坡地表多为0～5 m残坡积含碎石砂质土等覆盖，且厚薄分布不均。坝基、肩岩体以O1m页岩、粉砂质泥岩软质岩为主，弱风化为CⅢ～CⅣ类，岩层以3°～4°缓倾左岸偏上游，近水平产出，受区域断层F1影响，存在断层破碎带，节理裂隙较发育。河床岩体强风化深度3～5 m，两岸6～9 m不等。坝址处地形地质条件，不宜修建重力坝或拱坝，宜修建土石坝。

结合坝址区附近有少量粘土料分布，但其储量无法满足均质坝和粘土心墙坝的用量要求，因此,考虑采用非土质防渗体材料坝。沥青混凝土心墙坝的心墙沥青混凝土受外界气候及光照影响较小，几乎不受酷暑及严寒冰冻的影响，且沥青混凝土的摊铺、压实工序较简单，与河床及两岸混凝土及基岩易于连接，帷幕灌浆工作量较省，可作为备选坝型之一；另外，混凝土面板堆石坝较其他类型柔性坝，具有坝体断面小，可以利用部分开挖料筑坝，趾板浇筑、坝体填筑、面板浇筑等工序可独立进行互不干扰，坝址地形地质条件上均有布置混凝土面板堆石坝的条件，亦可作为备选坝型之一。

花坝水库坝型枢杻方案综合比较如表1所示，从表1对比结果可知，沥青混凝土心墙坝方案可节省投资约405.32万元，且可以充分的利用各建筑物的开挖弃渣料，因此，设计优选沥青混凝土心墙坝方案。

表1 坝型枢杻方案综合比较

3 沥青混凝土心墙坝结构布置

3.1 大坝枢纽布置

大坝枢纽由沥青混凝土心墙坝、右岸溢洪道、左岸取(放)水建筑物等组成(如图2所示)。

1) 挡水建筑物

大坝坝型为沥青混凝土心墙坝，坝轴线方位角为N 21.0°E，坝轴线长为160.0 m，坝顶高程为1 021.00 m，坝顶宽为5.0 m，河床沥青混凝土心墙基座基础开挖高程为973.00 m，最大坝高为48.0 m，最大坝底宽为189.70 m。坝顶上游侧设青石栏杆(实心防浪拦板)，坝顶下游侧设青石栏杆。上游坝坡坡比为1:2.2，上游坝坡为995.00 m高程以下采用厚60 cm干砌块石护坡，995.00 m高程以上采用厚10 cm厚C20混凝土预制块护坡；下游坝坡1:2.0，下游坝坡在高程1 000.00 m设宽2.0 m马道，坡面采用C20混凝土网格植草护坡，977.00 m高程下设干砌块石排水棱体。

坝体防渗体为沥青混凝土心墙，沥青混凝土心墙采用等厚式，心墙厚度为60 cm。心墙与基础采用C20混凝土基座连接，其中沥青混凝土与基础基座及坝顶防浪墙连接处设扩大段，在接触面涂抹砂质沥青玛蒂脂过渡层并设铜片止水。为了使心墙和坝壳料之间平缓过渡，在坝壳料与心墙之间设一个分区砂石料过渡层，层厚2.0 m，设计干密度不小于2.16 g/cm3，过渡层砂石料最大粒径为80 mm，小于5 mm的颗粒含量不大于40%，其中紧靠心墙上下游侧过渡料采用同一级配，其粒径要求不大于50 mm。

图2 沥青混凝土心墙坝枢纽布置示意

2) 溢洪道

溢洪道布置于右岸，采用正槽进口、不设闸自由溢流方案，溢洪道中心线方位为N75.74°E。溢洪道包括进水渠段、控制段、泄槽段、消力池段和出水渠，总长为168.0 m。

3) 取(放)水建筑物

取(放)水建筑物布置在左岸，由导流洞改建而成，由进水口闸井段、压力管道段、出口闸阀室及消力池等组成[8]，总长约为272 m。进口采用塔式进水口，长为12.45 m，其后采取“龙抬头”式与隧洞连接。导流隧洞断面为城门洞型，尺寸为1.80 m×1.80 m，全断面采用0.4 m厚C25钢筋混凝土衬砌。放空管出口接消力池，长为7 m，宽为2 m，经下游明渠将泄水引入原河道。

3.2 坝体结构布置及坝基处理

3.2.1坝顶高程确定

花坝水库正常蓄水位为1 018.00 m，设计洪水位为1 019.64 m，校核洪水位为1 020.20 m，风区长度D=450 m。计算风速：校核情况取W=12.0 m/s，正常情况取W=18.0 m/s。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)公式计算[9]，得坝顶高程计算成果(如表2所示)。

从表2可知，坝顶高程的控制情况为非常运用条件1 020.20 m校核洪水位工况，计算坝顶高程为1 021.12 m，采用坝顶高程为1 021.00 m。另在上游侧增设1.2 m高的青石栏杆，顶部高程为1 022.20 m，青石栏杆兼作防浪墙，拦水顶板高程为1 021.60 m。

表2 坝顶高程计算成果

3.2.2坝体结构布置

大坝为沥青混凝土心墙坝，结合坝体施工填筑要求及交通要求，拟定大坝断面尺寸：坝轴线长为160.0 m，坝顶宽为5.0 m，坝顶高程为1 021.0 m，河床心墙建基面高程为973.00 m，最大坝高为48.0 m，最大坝底厚为189.70 m，坝壳料采用风化料及工程区内部分开挖弃渣料。坝顶采用“L”型钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程为1 022.20 m。上游坝坡坡比为1:2.2，上游坝坡在995.00高程以上采用10 cm厚C20混凝土预制块护坡，在995.00高程以下采用60 cm厚干砌石护坡；下游坝坡为1:2，下游坝坡在高程1 000.00 m设宽2.0 m马道，坡面采用C20混凝土网格植草护坡，977.0 m高程下设干砌块石排水棱体。

坝体防渗材料为沥青混凝土，沥青混凝土心墙厚度为60 cm。心墙与基础采用C20混凝土基座连接，其中沥青混凝土与基础基座及坝顶防浪墙连接处设扩大段，并在接触面设砂质沥青玛蒂脂过渡层。为了使心墙和坝壳料之间平缓过渡，在沥青混凝土心墙上下游与坝壳料之间设一个分区砂石料过渡层，层厚2.0 m。坝体填筑应密实均匀、具有足够的抗剪强度和低压缩性[10]。按花坝水库工程大坝材料分区，坝体各区填筑质量标准(如表3所示)。

表3 填筑质量标准

注：1.最大干密度采用大型击实试验确定；2.防渗沥青混凝土压实后渗透系数≤1×10-8cm/s。

3.2.3坝基处理

1) 开挖

花坝水库最大坝高48.0 m，根据规范要求和河床段、左右岸心墙基础的地质条件，心墙基础应开挖至坚硬、不冲蚀和可灌浆的基岩，将心墙基础于强风化底部，河床段心墙基础挖深2～5 m，左岸挖深2～7 m，右岸挖深2～8 m。对心墙以外的上、下游的坝基基础要求清除0.50 m左右耕植层，使岸坡大致平顺，不出现陡坎、台阶及反坡。在心墙基座开挖中，对地质条件较差位置的开挖边坡采取锚、网、喷联合支护处理。除受层面控制外，土质边坡开挖坡比采用1:1，岩质边坡开挖坡比采用1:0.5。

心墙基础开挖中，对大坝开挖永久土质边坡坡脚设1 m高C15混凝土挡墙护脚，坡面设C15混凝土菱形框格，植草护坡；岩质边坡采取喷锚支护处理，挂网喷混凝土厚度为10 cm，并布置Φ25的系统锚杆，锚杆根长为3.0～4.5 m；对地质条件较差位置的坝基开挖岩质临时边坡采取喷锚支护，并布置Φ25的随机锚杆，锚杆根长为3.0～4.5 m。

2) 基础灌浆

大坝基础开挖过程中，爆破震动可能使岩体松动，从而降低其承载力，为保证坝基岩体的完整性，需对大坝心墙基础作固结灌浆处理，固结灌浆孔间、排距均为2.0 m，孔深为5.0 m，固结灌浆总进尺为1 324 m。

花坝水库规模为小(2)型工程，心墙坝最大坝高为48.0 m，属中坝，防渗标准采用透水率q≤5 Lu控制，因坝基岩体主要为页岩、粉砂质泥岩等碎屑岩，可灌性一般。设计防渗帷幕单排孔布置，孔距2.0 m，按3序次施工。沥青混凝土心墙坝防渗帷幕灌浆钻孔总进尺4 347 m，防渗帷幕有效总面积约0.67万m2。