双龙水电站大坝坝型设计方案比选研究

周晓玉

(凌源市水务局，辽宁 朝阳 122500)

1 工程背景

拟建中的双龙水电站位于辽宁省宽甸满族自治县太平哨镇二龙渡村境内半拉江干流上，在已建成的高龙泡水电站下游，为典型的河床式水电站[1]。从地形地貌来看，双龙水电站属于辽宁东部的长白山区，由于受到半拉江的水流侵蚀作用，坝址区两岸群峰耸立、山高谷深，地质环境比较复杂。从地层岩性来看，坝址区的基岩埋藏较深，沉积盖层主要是泥盆纪、三叠纪至下第三系地层，主要由海相碳酸盐和浅海、滨海碎屑岩构成。同时，大坝坝址区存在厚度较大的砂石料和砂质黏土覆盖层。特别是靠近河床部位，其覆盖层平均厚度为7.3 m，最大厚度达到14.8 m。由于项目所在地的砂、石料相对比较丰富，并没有适合做防渗材料的黏土，因此，拟在人工材料坝型(沥青混凝土心墙堆石坝)与当地材料坝型(混凝土面板堆石坝和混凝土重力坝)等两种坝型中进行比选，以获取最佳坝型[2]。

2 地质条件对比分析

对拟建的两种坝型的地质条件适配性进行对比和分析，结果如表1所示。由表中的结果可以看出，混凝土面板堆石坝与沥青混凝土心墙坝比较接近，与混凝土重力坝互有优劣，但是都具备设计建设的基本条件，并无本质区别，因此，需要通过设计比较判定。

表1 地质条件分析对比

3 坝型布置与投资对比

3.1 超高计算

在各坝型的超高计算中，利用坝址区气象站提供的45 a风速资料，取每年7—10月的最大风速进行分析[3]，组合各风向的吹程、水位数据，计算获取不同坝型的坝顶高程[4]。计算结果如表2所示。根据计算结果，按照当地材料坝的坝顶高程173.92 m、混凝土重力坝的坝顶高程172.80 m进行大坝的初步设计和工程量的计算。

表2 大坝超高计算结果 m

3.2 坝型结构设计

结合上文的坝顶高程计算结果和坝址区的实际地形图，考虑施工交通的实际需求，对各坝型的结构进行初步布置，结果如下：

(1)沥青混凝土心墙坝。该坝型的坝长为425.30 m，坝顶高程为173.92 m，坝顶宽5.5 m，大坝上游和下游的边坡坡比均为1∶1.8。坝体内部设置沥青混凝土心墙，其顶宽和底宽分别为0.6 m和0.8 m，两侧布置砂砾石过渡带，宽度为2.0 m。在坝基部位需要设置混凝土防渗墙和帷幕灌浆[5]。其中，防渗墙要深入基岩1.5 m[6]。

(2)混凝土面板堆石坝。该坝型的坝长为425.30 m，坝顶高程为173.92 m，坝顶宽5.5 m，上游坡面的坡比为1∶1.6，下游坡面的坡比为1∶1.5。在坝体的堆石区上游部位设置垫层和反过滤层，宽度为2.0 m，大坝的上游面设置混凝土防渗面板，其顶部和底部的厚度分别为0.3 m和0.5 m。大坝的下游坡面为干砌石护坡，厚度为0.5 m，趾板长 4.0 m，在其上部设置风化料盖重，下设帷幕灌浆[7]。在下游的坝脚部位设置顶宽4.0 m，坡度1∶1.5的滤水坝趾。

(3)混凝土重力坝。混凝土重力坝的坝长为421.0 m，坝顶高程为172.80 m，坝顶宽为5.5 m。在该坝型设计下，大坝上游的坝壳采用竖直布置方式，下游坝壳采用1∶0.7的坡比，坝壳的厚度为2.0 m，斜坡段的高程为165.50 m。重力坝坝型对坝基条件要求较高，需要深入基岩弱风化层2.0 m，对破碎带和风化层实施固结灌浆。灌浆孔的孔距和排距均为3.0 m，灌浆孔为矩形阵列布置方式，设计灌浆深度为8.0 m。坝壳混凝土中要设置表面钢筋，以提高其强度，在坝壳内填筑常态混凝土。在重力坝和溢洪道之间距离上游坝壳表面30 cm部位设置紫铜止水[8]。

3.3 坝型投资计算结果

根据上文不同坝型的结构设计，对各个比选坝型的投资进行统计计算，结果如表3所示。由计算结果可知，由于坝址区的河床覆盖层较厚，而混凝土重力坝对坝基地质条件的要求较高，因此，需要较大的开挖量，在坝顶高程比较接近的情况下，最大坝高会大很多，因此，混凝土用量明显偏大。同时，由于项目所在地比较偏远，当地并没有大的水泥厂，所有的人工和材料均需要通过外购解决，因此，单价明显偏高。受上述两个原因的影响，混凝土重力坝的投资明显高于其余两个坝型。对于沥青混凝土心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝而言，由于面板混凝土造价较高，混凝土面板堆石坝的造价高了约1022万元。因此，从工程的经济性来看，应该选择沥青混凝土心墙堆石坝坝型。

表3 不同坝型投资统计结果 万元

3.4 施工导流方案评价

不同坝型的施工导流方案不同，也是影响坝型选择的重要因素。针对工程实际和备选坝型，导流方案主要由以下三种：

一是混凝土重力坝配合导流隧洞导流，需要新建导流洞，洞径为5.0 m，洞长500 m，最大泄流量276.54 m3/s。二是适合混凝土面板堆石坝的溢洪道砍平头导流方案，净宽为34.0 m，最大泄流量为456.43 m3/s。三是配合沥青混凝土心墙堆石坝的分期溢洪道砍平头导流方案，其中，一期需要在河床滩地修建导流明渠，二期利用围堰封闭导流明渠。显然，导流方式应该以简洁、方便施工、成本低为主要目标。考虑无论采取何种施工导流方式，均需要在导流建筑物完全建成后才能进行下一步施工。因此，综合各方面的影响因素，认为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最为合理，不仅施工方便，投资成本相对较低，同时也有利于节约工期，为最佳设计方案。

4 坝型比选结果

综合地质条件、投资成本以及施工导流等不同视角的对比分析，认为沥青混凝土心墙堆石坝具有较为明显的优势：第一，采用该坝型时沥青混凝土心墙和坝基、岸坡的连接比较容易，易于提高心墙施工质量。第二，坝体沉降变形对沥青混凝土心墙的影响相对较小，可以保证心墙的安全性和稳定性。第三，沥青混凝土心墙位于坝体内部，受外界气候因素的影响较小，在建成之后受冻融、风浪、温度变化等因素的影响不大；第四，沥青混凝土心墙堆石坝的施工工艺比较简单，施工质量也更容易得到保证。基于此，建议双龙水电站大坝采用沥青混凝土心墙坝坝型设计。

5 结 语

此次研究针对辽宁省新建的双龙水电站，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。在后续的研究中，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。