松子坑水库改扩建工程坝型设计方案研究

董世伟

(深圳市东江水源工程管理处，广东 深圳 518000)

0 引言

大坝是水库工程主要建筑物之一，投资占比较大，合理选择坝型，有利于保证工程安全可靠、节省工程投资[1]。现代施工技术的进步，新型筑坝材料层出不穷，可利用坝型也越来越多，这给坝型的选择增加了难度。松子坑水库改扩建工程基于已有坝体和当地筑坝材料，初步拟定了粘土斜墙土石坝、粘土心墙土石坝和沥青砼心墙土石坝三种坝型，从技术可行性、施工条件、检修便利性及投资额方便进行了综合比选分析，充分体现了改扩建工程坝型选定的思路。

1 工程概况

松子坑水库位于深圳市龙岗区内，工程区原状为三座紧邻的小(1)型水库，分别是松子坑水库、獭湖水库和三角楼水库，相互之间仅为山梁分隔。松子坑水库是东部供水水源工程进入深圳境内的第一座联网调蓄水库，也是深圳市水源调蓄体系的主要组成部分。松子坑水库正常蓄水位及死水位分别为66.00 m和50.00 m，水库集雨面积4.96 km2，多年平均径流量为496.0万m3，兴利库容3303.7万m3。松子坑水库扩建工程布置见图1。

图1 松子坑水库扩建工程布置示意图

2 坝型选定

据地勘资料，坝线所在坝基地层岩性和地质构造较为简单，除河床段基岩出露外，其余坝段全风化土层较厚，地基承载力小，沉降量大，不适宜选用砼坝、砌石坝等重力式坝，比较适合均质土坝和土石混合坝。从筑坝材料上考虑，料场土料含水量较高，粘粒含量较高，如建成均质土坝，孔隙水消散速度慢，不利于加快施工进度。

从坝线地质条件考虑，不适宜选用碾压砼重力坝、混合坝坝型；从土料特性考虑，修建均质土坝，不利于加快施工进度。故本设计只选择粘土斜墙土石坝、粘土心墙土石坝和沥青砼心墙土石坝三种坝型进行比较。

2.1 初拟坝型

2.1.1 粘土斜墙土石坝

大坝采用粘土斜墙防渗(图2)，坝顶宽6.0 m，坝顶高程68.00 m，上游坝坡铺设粘土斜墙防渗，迎水面采用现浇混凝土板护坡，现浇混凝土板厚250 mm，背水坡为草皮护坡。

图2 粘土斜墙土石坝标准横断面图

坝顶高程68.00 m，最大坝高36.8 m，坝长804 m。坝顶采用预制砼路面，厚120 mm，下设200 mm水泥石粉渣垫层。上游坝坡在48.0 m、58.0 m高程处分别设宽2.0 m马道，坡比自上而下依次为1∶2.75、1∶3、1∶3.25。下游坝坡自上而下每10 m设一级马道，马道宽2 m，坝坡坡比分别为1∶2.5、1∶2.5、1∶2.75。下游坝脚设排水棱体，棱体顶高程42.00 m，内坡比为1∶1.5，外坡比为1∶2.0。

坝顶上游侧设置1.2 m高钢筋砼结构防浪墙，墙顶宽0.5 m；下游侧设置排水沟和路缘石，沟顶采用预制砼盖板。

2.1.2 粘土心墙坝

粘土心墙土石坝(图3)采用粘土防渗，坝顶宽6.0 m，坝顶高程68.0 m，最大坝高36.8 m，坝长804 m。上、下游坝坡及坝顶结构均与粘土斜墙坝方案相同。防渗心墙顶宽为3.0 m，上游坡比为1∶0.25，下游坡比为1∶0.25。坝顶钢筋砼防浪墙墙底与粘土心墙可靠连接，防浪墙顶高程69.20 m。心墙底设400 mm厚的混凝土基座。

图3 粘土心墙土石坝标准横断面图

2.1.3 沥青混凝土心墙土石坝

沥青混凝土心墙土石坝(图4)采用密实沥青砼作为防渗体，坝顶宽6.0 m。坝顶高程、最大坝高、坝长等均与粘土心墙相同。心墙顶宽0.4 m，底宽0.6 m，心墙上下游均设置宽1.5 m的过渡层，心墙底部以砼基座与地基相接，基座顺水流方向长4.0 m，高2.0 m。坝顶结构、上下游坝坡结构形式均同粘土心墙土石坝方案。

图4 沥青砼心墙土石坝标准横断面图

2.2 坝型比选

2.2.1 工程地质

由前述可知坝址区均为第四系所覆盖，河床中的淤泥层、上部软塑状的粉质粘土的承载力值低、压缩变形量偏大。河床中部的碎石土或含碎石粘性土、两坝肩及右坝基残丘的残坡积土的物理力学性质较好。

三种坝型对坝基要求均较低，考虑到防渗要求，粘土心墙、粘土斜墙及沥青砼心墙均坐落在全风化层或强风化层上，而坝壳部位只需清掉表层的腐植土约2.0 m～5.0 m厚即可，河床段软弱覆盖层需进行挖除处理。

2.2.2 筑坝材料

三种坝型均可利用当地材料筑坝，沥青砼心墙土石坝多用于粘土料缺乏的地区。根据地勘调查成果，库区料场可用的天然建筑材料数量及质量均满足设计对三种坝型方案筑坝材料要求。

2.2.3 工程结构比较

粘土心墙、沥青砼心墙土石坝的心墙垂直防渗体都能较好的适应坝壳的变形，由于心墙位于坝体中间，心墙自重通过本身传到基础，受坝壳的影响小，使得心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基的结合，而且坝壳的渗透系数大于心墙的渗透系数，当水库水位下降时，上游坝壳排水较快，在深厚覆盖层上建坝，坝壳与心墙沉降较均匀，不会产生水利劈裂，因此运用安全性较高。

粘土斜墙土石坝的浸润线较低，下游边坡稳定性好，但是斜墙防渗体对适应坝壳变形的性能较差，坝壳的局部不均匀沉降，可能引起斜墙产生开裂，运用安全性较心墙坝型差。另一方面，由于本工程坝轴线呈折线形，粘土斜墙墙体产生裂缝后，在水压作用下，裂缝较心墙坝易于修复。

2.2.4 工程施工比较

粘土心墙、沥青砼心墙与坝壳必须同时施工，施工相互干扰大，工期相对较长。粘土心墙受降雨影响较斜墙坝大，沥青砼心墙施工时要采用专用机械设备。粘土斜墙与坝壳的上升可以不同步，且斜墙位于上游部位，施工干扰少；受降雨影响较小，坝壳部分在雨季也可以施工，可在坝壳完成后再建土斜墙，利于加快施工进度。

2.2.5 运行管理

粘土斜墙土石坝的防渗体位于上游部位，较心墙坝的心墙易于检修，心墙检修条件相对较差，出现渗漏问题不易处理。对于粘土防渗体由于渗流作用存在，一般存在细微颗粒随渗透水流运动，渗透性能在一定时间内呈现减小趋势后，呈现逐渐加大的现象，即防渗体老化。

而对于沥青混凝土心墙，由于石油沥青材料的优越粘结性能和变形性能，其渗透性能不会出现细骨料移动、流失。且由于心墙两侧土体保护，隔绝阳光、空气，沥青混凝土表面老化情况也相当缓慢，因此建成后，基本上不会存在老化，大大减小了运行管理难度。

2.2.6 与已有工程衔接

粘土斜墙坝在中小型土石坝中应用较多，松子坑水库(一期)中，坝高超过25 m以上的1#坝、10#坝、11#坝等均采用的是当地材料粘土斜墙坝，工程运行10多年来，效果较好。粘土心墙坝取材较方便，在工程中应用较为广泛。沥青砼心墙坝，因心墙防渗及变形性能较好，目前国内正处于快速发展和推广阶段。

2.2.7 枢纽工程布置

三种坝型在具体的布置方面基本相似，都需布置泄洪建筑物及导流设施，本工程施工采用隧洞进行导流，工程完工后，隧洞的主要功能是泄洪与输水。

2.2.8 与片区规划协调

三种坝型方案，大坝上下游坝坡坡度均相同，坝体外形一致，主要利用当地土料填筑而成，均为当地材料坝，取料场和坝址位置均基本位于规划的水源保护范围内，与城区发展规划和周围景观规划相协调。

2.2.9 投资额度

三种坝型的投资量见表1。

表1 费用比较特性表

2.3 坝型确定

三种坝型在对地质条件的适应、工程布置条件、坝基处理方式等方面基本相当，技术上均可行；在施工条件及检修方面，心墙坝较斜墙坝方案差；在结构安全性方面，心墙坝较斜墙坝方案优；在工程量及投资上比较，粘土斜墙坝投资最小，粘土心强坝较粘土斜墙坝稍大，沥青砼心墙土石坝方案投资相对较大；同时借鉴已建松子坑水库(一期)1#坝、10#坝、11#坝等非均质均为粘土斜墙坝的坝体形式，且多年来运行情况较好，推荐设计主坝坝型采用粘土斜墙土石坝。

3 结语

综上所述，在水库改扩建过程中，结合已有工程特性，合理选择坝型有利于控制工程建设成本，降低施工难度，提高新建坝体的适用性，最终获得较好的经济社会效益。松子坑水库从工程地质、筑坝材料、工程结构、施工运行管理、枢纽布置及与已有工程协调性方面进行综合比选，可推定粘土斜墙土石坝方案可行性、合理性更适合本工程。