关坎脚水库大坝坝型设计方案分析

徐秋实

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002)

1 工程地理位置概况

关坎脚水库灌区工程位于湄潭县北部的洗马乡双河村境内，地处长江流域乌江水系湄江支流清江上游，水库坝址距湄潭县城39 km，距洗马集镇13 km，其中有3 km乡村公路通至坝址下游约0.3 km处，交通较为方便。

2 大坝坝址、坝县以及坝型

在进行水工设计的过程中，坝型的合理选择不仅非常重要[1-2]，且十分复杂，它所涉及到的不仅仅是技术也包括经济[3-4]。一般来讲，对于一个坝址而言，可供选择的方案通常有两个，每个方案的优势与缺点都不同，这就让决策者感到十分困难[5]。特别是在当今施工技术不断发展中，坝型选择的种类也开始日益增多，这样的情况就进一步增加了其选择的难度。

(1)坝址选择。关坎脚水库规划坝址位于洗马乡境内清江上游，秦家寨至鱼泉湾之间长约0.50 km的河段上，根据该河段沿线地形地质条件，通过对上、下坝址的地形地质条件、施工条件、水库淹没、水资源利用、工程布置及投资效益等方面综合比较，选择下坝址作为关坎脚水库灌区工程的推荐坝址。

(2)坝线选择坝址区上、下游均有冲沟切割，在坝址所在地地形条件所产生的约束作用下，坝址可选择的坝线没有很大余地进行上下移动，坝线位置的选择也十分单一，即位于现勘探线附近，该坝线经处理有建重力坝、面板堆石坝的地形地质条件。

(3)坝型选择由于坝址区出露基岩为寒武系中上统娄山关群第二段至第三段(∈2-3ls2～∈2-3ls3)地层，河床及左、右岸坡大部分为灰、深灰色以中厚层为主夹薄层白云岩与白云质灰岩，灰色以薄层为主夹中厚层白云岩，局部夹泥质白云岩。综上所述，本工程重力坝方案选用三级配C15碾压混凝土为筑坝材料。混凝土面板堆石坝方案中各枢纽建筑物布置相对较分散，坝体材料可充分利用当地丰富的天然筑坝材料，施工工艺简单，便于机械化作业，坝体填筑不受气候条件限制。

3 枢纽布置方案比较

根据前述坝线选择以及坝型选择，最终确定了两组方案，其一是碾压混凝土形式的重力坝，其二是混凝土面板形式的堆石坝，施工中，将这两组方案进行同精度设计，从枢纽布置、施工组织设计、工程投资等多方面对两种坝型枢纽布置建筑物进行综合比较，按安全、经济的原则确定推荐坝型枢纽布置方案。

3.1 混凝土面板堆石坝枢纽方案

该方案枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道及右岸取水兼放空隧洞等组成。混凝土面板堆石坝方案枢纽布置及大坝剖面见图1、图2。由于篇幅限制，这里只介绍主要的挡水建筑物。该坝型为混凝土面板堆石坝，河床段大坝面板趾板底高程927.00 m，最大坝高50.0 m，坝轴线长175.00 m，坝顶高程977.00 m，坝顶宽7.5 m，防浪墙墙高3.00 m。上游坝面坝坡1∶1.4，下游坝面综合坝坡1∶1.5。坝底最大厚度149.16 m，上游混凝土防渗面板厚0.4 m，面板下端与趾板相接，趾板宽5.0 m～4.0 m，置于强风化层中下部至弱风化层上部岩基上。面板下部为C5挤压砼边墙，综合厚度约0.25 m。挤压砼后设水平宽3.0 m的垫层，垫层后设水平宽4.0 m的过渡层，过渡层后为主堆石区，下游为次堆石区，下游坝面为干砌块石护面。

面板和趾板采用C25砼，设单层双向钢筋，趾板基础设Φ25锚筋与基岩连接，锚筋根长4.5 m，间距1.5 m，排距2.0 m。

图1 面板堆石坝方案枢纽布置图

3.2 碾压混凝土重力坝主要枢纽方案

在水库大坝中，枢纽建筑物主要有碾压混凝土形式的重力坝、设置在坝顶位置的溢洪道、放空和冲沙孔及取水孔等。重力坝方案枢纽布置及大坝剖面见图3、图4。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高50.5 m，坝顶高程976.50 m，坝轴线长181.0 m，坝顶宽7.5 m，上游坝面940.00高程以上铅直，940.00 m高程以下坝坡比1∶0.2，下游坝坡比1∶0.8，最大坝底厚45.1 m；坝体主要建筑材料采用三级配90天龄期C15碾压混凝土，设计容重r=24 kN/m3；上游坝面防渗混凝土分两层，迎水面采用二级配90天龄期厚0.5 m C15形式的变态混凝土来加以保护，其抗渗等级设置为W6，用龄期为90天、通过C15型富胶凝材料进行碾压的二级配混凝土进行内侧施工，其抗渗等级设置为W6；大坝基础设置二级配90天龄期抗渗等级W6的C15常态混凝土垫层，两坝肩设置二级配90天龄期C15变态混凝土垫层厚1.0 m，下游坝面采用三级配90天龄期厚0.5 m C15变态混凝土护面。坝内设灌浆排水廊道，廊道断面尺寸：2.5 m×3.0 m(宽×高)，廊道进口高程为939.00 m，底部高程936.00 m。溢洪道布置于大坝坝顶中部，为开敞式设闸溢洪道，溢流堰顶高程970.00 m，溢流净宽15 m，堰顶设3扇5.0 m×5.4 m的平板工作门，采用柱塞式液压式启闭机启闭。溢流堰型采用WES实用堰，溢洪道闸墩长7.0 m，其上布置3.5 m宽交通桥连接左右非溢流坝段。尾部采用挑流消能，挑流反弧半径12.0 m，挑射角18.14°，鼻坎高程942.00 m。为防止小频率小流量洪水跌落冲刷下游坝脚及下游岸坡，在下游坝脚后设20 m长、1.5 m厚的“一”型短护坦。

图2 面板堆石坝坝体剖面图

图3 重力坝方案枢纽布置图

图4 重力坝剖面图

3.3 枢纽布置方案比较

在通过混凝土面板形式堆石坝和碾压混凝土形式重力坝这两组枢纽方案所应用的灌区中，其渠系的布置与库区有着基本相同的淹没指标，其主要的投资部分包括泄水型建筑物、挡水型建筑物、取水型建筑物、金属构件和临时工程等的这些方面。本次选择的两种坝型枢纽方案比较见表1。

表1 坝型枢纽方案特性比较表

续表1

通过上述两种坝型的枢纽方案的技术经济综合比较分析，两种枢纽方案都有着各自的优势与劣势，面板堆石形式的大坝对于地基条件没有过高要求，基础处理时的工程量不大，可以将当地的天然建筑材料以及工程开挖中的部分废弃石渣加以充分利用，施工场地的面积很大，工艺也十分简单，更加有利于机械施工，且气候因素不会对坝体填筑造成限制。但是该方案需要在岸边进行溢洪道的设置，取水和放空隧洞都很长，且在主体、边坡治理以及临时工程中都需要花费很大的工程量，通过对比可知，相比较碾压混凝土形式的重力坝而言，这种方案的投资会多出586.45万元。碾压混凝土形式的重力坝布置十分紧凑，其溢洪道布设在大坝中部，放空和冲沙底孔设置在其左段，这样便实现了溢洪道开挖量的减少，放空和放水道的实际建筑长度也由此缩短，虽然其基础工程有着比较大的施工量，但因本工程坝体不高，对基础处理工作量难度不大。故从枢纽总体布置合理、工程总投资相对较省、施工技术成熟等方面综合考虑后，推荐碾压混凝土重力坝枢纽布置方案作为优选方案。

4 结语

为确保贵州省湄潭县关坎脚水库工程设计方案能够与工程实际更匹配，通过对坝址、坝型以及枢纽布置进行论证和对比分析，得出以下主要结论：

(1)根据该河段沿线地形地质条件，通过对上、下坝址的地形地质条件、施工条件、水库淹没、水资源利用、工程布置及投资效益等方面综合比较，选择下坝址作为关坎脚水库灌区工程的推荐坝址。

(2)综合考虑水库的实际规模、大坝实际高度以及各个枢纽建筑的具体布设和施工条件，并结合当地的建材等各项因素，最终选择了更加符合重力坝和面板堆石坝的两条坝线;可选择的坝型主要有重力坝和混凝土面板堆石坝。

(3)通过上述两种坝型的枢纽方案的技术经济综合比较分析，得出碾压混凝土重力坝枢纽布置方案工程实际更匹配。