山区综合性水利工程坝型比选研究

何绮玲

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510630)

1 工程背景

拟建中的某水利工程是一座以防洪和发电为主，兼顾灌溉和养殖等诸多功能的综合性水利工程。电站的装机容量为24 MW，保证出力68 MW，多年平均发电量为10.28×108kW·h。水库正常蓄水位872 m，死水位845 m，调节库容1.25×108m3。坝址区的地貌为典型的峡谷地貌，平水期河道宽度约30～90 m，水深2～5 m。两岸山体比较陡峭，局部为陡崖，没有明显的阶地和冲沟发育。坝址部位的河谷呈现出典型的宽V形特征，谷地宽度约70 m，正常蓄水位高程的谷宽310 m。两岸地形基本对称。坝址两岸的坡积层厚度一般为2～4 m，主要是砂卵砾石，基岩为片麻岩，岩体风化情况比较显著，全风化带厚度约5～25 m。由于项目所在地周边20 km区域内没有适合用作大坝防渗材料的黏土，而砂石料相对比较丰富。因此，初步拟定沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝和混凝土重力坝等3个坝型。

2 地质条件对比分析

针对沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝和混凝土重力坝等3种初步拟定的坝型与坝址区地质环境进行对比分析[1]。其中，沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝对地质环境的要求比较接近，因此作为一种坝型进行分析。具体的分析结果见表1。从坝型和坝址区地质环境条件的适配性来看，堆石坝和混凝土重力坝互有优劣，但均具备设计建设的基本地质条件。

表1 不同坝型地质条件分析对比

3 坝型布置与投资对比

3.1 超高计算

超高计算是坝型设计和选择的重要内容。在此次研究中，搜集了坝址区近50年的气象资料，对当地每年7-10月份的最大风速进行统计和分析，并以此为基础进行大坝的超高计算，结果见表2[2]。由表2中的结果可以看出，堆石坝和混凝土重力坝的超高计算结果分别为884.17和883.32 m，并以此为基础进行大坝的初步设计与工程量估算[3]。

表2 大坝超高计算结果 /m

3.2 坝型结构设计

结合坝址区的实际情况和工程技术需求以及大坝超高计算获取的坝顶高程数据，对不同坝型进行初步的结构设计，具体如下：

3.2.1 沥青混凝土心墙坝

如果大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝坝型，其初步设计的坝轴线长为344.32 m，坝顶高程为884.17 m，坝顶宽设计为5.5 m，大坝上游面的坡度为1∶1.6，下游面的坡度为1∶2.1。坝体内部的主要防渗结构为顶宽60 cm、底宽80 cm的沥青混凝土心墙。在心墙的两侧各设置宽度为2.0 m的砂砾石过渡带。在大坝的坝基部位设置混凝土防渗墙和帷幕灌浆，作为坝基部位的主要防渗结构[4]。其中，防渗墙的深度要达到基岩无风化基岩内部2.5 m[5]。

3.2.2 混凝土面板堆石坝

如果采用混凝土面板堆石坝设计思路，其坝轴线长、坝顶高程和坝顶宽与沥青混凝土心墙相同。大坝的上游面和下游面的坡度分别为1∶1.6和1∶1.5。大坝坝体的主要防渗结构为混凝土面板，其顶部厚度为30 cm、底部厚度为50 cm。在坝体内部的堆石体部位设置宽度2.0 m的垫层和反过滤层。大坝的下游面为厚50 cm的干砌石护坡，下设帷幕灌浆[6]。在坝脚部位设置滤水坝趾，其顶宽为4.0 m，坡度设置为1∶1.5。

3.2.3 混凝土重力坝

如果采用混凝土重力坝坝型设计，其坝长为321 m，坝顶高程为883.32 m，坝顶宽为5.5 m。大坝的坝壳厚度设计为2.0 m，其中上游坝壳为竖直布置方式，下游坝坡坡度为1∶0.7，斜坡段高程为875.50 m。由于混凝土重力坝需要有较高的坝基条件，因此重力坝坝基需要深入基岩2.0 m，同时需要多坝基的分化破碎带进行固结灌浆，设计灌浆深度为8.0 m，灌浆孔为矩形阵列布置，孔距为2.0 m，排距为3.0 m。为了提高坝壳的强度，需要设置表面钢筋。在坝壳内部利用常态C20混凝土填筑[7]。

3.3 坝型投资计算结果

根据上文对不同坝型的结构初步设计，结合项目所在地2020年的价格平均水平，对不同坝型的投资额进行估算，具体的估算结果见表3。

表3 不同坝型投资统计结果

由表3中的结果可以看出，由于混凝土重力坝坝型设计对坝基要求较高，而坝址区的覆盖层明显较厚，因此采用该坝型设计需要较大的开挖量。虽然坝顶高程较另外两种方案偏低一点，但是最大坝高会大很多，因此需要较大的混凝土浇筑量[8]。另一方面，由于项目地处偏远，大坝建设所需的水泥等材料和人工均需要通过外购的方式解决，因此大幅增加了工程成本，最终造成混凝土重力坝成本明显偏高，不推荐采用。对另外两种堆石坝坝型而言，受到与上文类似因素的影响，混凝土面板的造价较高，造成混凝土面板堆石坝坝型的工程成本比沥青混凝土心墙坝高出1 079万元左右。由此可见，从工程的经济性来看，推荐使用沥青混凝土心墙堆石坝坝型。

3.4 施工导流方案评价

施工导流是影响大坝设计建设的重要因素，结合背景工程的实际情况和工程技术因素，提出以下3种施工导流方案进行比选。

方案一为导流隧洞导流方案。为配合混凝土重力坝坝型，采用该方案需要新建长度为500 m、洞径为5.0 m的导流洞，以满足276.54 m3/s的最大泄流量。方案二为溢洪道砍平头导流方案。为配合混凝土面板堆石坝坝型，该方案的溢洪道净宽设计为34.0 m，以满足456.43 m3/s的最大泄流量。方案三为分期溢洪道砍平头导流方案，主要配合沥青混凝土心墙堆石坝坝型设计。该方案分两期进行施工，第一期为导流明渠，第二期利用围堰封闭导流明渠。显然，导流建筑一般不是永备工程，因此应该控制成本，尽量采用简洁、方便的设计方案。因此，对各方面的因素进行综合考虑和分析，推荐采用投资成本低、施工方便、工期较短的沥青混凝土心墙堆石坝配合分期溢洪道砍平头的导流方案。

4 坝型比选结果

通过对3种初选坝型的地质条件、投资成本以及施工导流方面的优势和劣势进行综合对比，从结果来看，沥青混凝土心墙堆石坝具有较为明显的优势：①该坝型在施工过程中易于坝基、心墙以及岸坡的连接，有助于整体控制施工质量；②该坝型后期的沉降变形对心墙的影响相对较小，有助于提升大坝后期运行中的安全性和稳定性；③大坝的防渗结构位于大坝内部，较少受外界环境和不确定因素的影响，有利于提升大坝的抗渗性；④该坝型的材料容易获取，施工工艺简单。基于此，建议大坝采用沥青混凝土心墙坝坝型设计。

5 结 语

针对某新建水电站，通过地质条件、结构设计、投资水平和导流方案等因素的对比分析，提出了坝型选择的一般分析过程，最终确定采用沥青混凝土心墙堆石坝坝型设计。研究成果可为具有类似的气候、地质条件的水利工程坝型设计提供有益的经验借鉴。在今后的研究中，还需要对选定的坝型进行必要的计算复核，特别是进行坝体结构细化设计以及稳定性复核计算，以验证坝型设计的可行性与有效性。