大南沟水库工程总体布置及建筑物设计

左 坤

（铁岭市银州区现代农业发展服务中心，辽宁 铁岭 112000）

1 概况

大南沟水库位于辽宁桓仁县大南沟村，总库容2025万m3。坝址处地质构造较好，坝基上部主要是第四系松散坡积物及冲洪积物、下部是岩性为中生代侏罗系岭组火成岩系的花岗岩及侵入岩，地下水和地表水无腐蚀性。

2 坝轴线、坝型的选择及工程总体布置

2.1 坝轴线选择

通过查看1∶10000 地形图及现场查勘，整个沟岔长700 m左右，适合坝轴线选址的位置长约100 m，且出口处仅有一处沟口较窄。综合以上因素，选定此沟口较窄处作为坝轴线。坝轴线左岸A点座标为X＝4578378.800，Y＝42463486.400；坝轴线右岸B点座标为X＝4578092.400，Y＝42463579.700。

2.2 坝型选择

根据料场调查结果可知，当地有丰富的含细粒土砂，运距较近；坝址附近无可开采的石场，石料短缺，运距较远，约24 km；当地黏土运距为5.0 km，储藏在耕地下开挖后需复耕；坝址处左岸岩石覆盖层约2～4 m，右岸岩石覆盖层约14 m。根据坝轴线地形地质条件，拟在工程量、投资上对碾压式土工膜心墙土坝与碾压式黏土心墙土坝2种坝型进行比较。

（1）碾压式土工膜心墙土坝。坝高383.80 m，坝宽4.9 m，坝长261.175 m，沿岸设开敞式溢洪道用于泄洪，泄槽长98.899 m，堰型为宽顶堰，后接钢筋混凝土陡槽，采用挑流消能方式。输水管轴线桩号为0+046.511，直径为0.50 m。

（2）碾压式黏土心墙土坝[1]。坝高383.80 m，坝宽4.9 m，坝长261.175 m，沿岸设开敞式溢洪道用于泄洪，土坝长度247.175 m，泄槽长98.899 m，堰型为宽顶堰，后接钢筋混凝土陡槽，采用挑流消能方式。输水管轴线桩号为0+046.511，直径为0.50 m。

经比较，碾压式土工膜心墙土坝投资838 万元，碾压式黏土心墙土坝投资922 万元，后者比前者投资多84 万元。而且，由于黏土的黏粒含量约为45%，塑性指数最大为27，2 项指标均较高，需经掺砂处理后方可作为防渗体，黏土质量不易保证、施工工期较长，工程发挥效益相对较晚，故选择碾压式土工膜心墙土坝方案较合适。

2.3 工程总体布置

大南沟水库坝轴线左岸A 点座标为X＝4578378.800，Y＝42463486.400；右岸B 点座标为X＝4578092.400，Y＝42463579.700。枢纽由溢洪道、拦河坝、输水管组成。右岸布置溢洪道，桩号0-000.000—0-014.000，为开放式溢洪道，净宽12.0 m。拦河坝桩号0+000.000—0+207.672，采用碾压式土工膜心墙土坝。输水管布置在左岸，坝轴线桩号0+046.511，采用浮筒式进水口，向北点子乡河两岸的2 个自然村供水，设置蝶阀。

3 挡水建筑物

3.1 基础处理

坝基上部主要是第四系松散坡积物及冲洪积物[2]，主要由碎石土、碎石砂组成；下部岩性为中生代侏罗系岭组火成岩系的花岗岩及侵入岩，主要由强风化千枚岩及中风化千枚岩组成。基础防渗采用2 种防渗形式，即覆盖层部分开挖后采用土工膜防渗，岩石部分采用帷幕灌浆处理，相对不透水层的帷幕灌浆深度为4 m。

3.2 坝顶高程计算

根据洪水标准，计算坝顶高程。坝顶高程H取H1与H2中的大值，其中H1为正常运行情况下设计洪水位与坝顶超高之和[3]、H2为非常运用情况下校核洪水位与坝顶超高之和[4]。

H1、H2计算公式为：

式中：H设计为设计洪水位（m）；H超高为坝顶超高（m）；H校核为校核洪水位（m）。

坝顶高程计算成果，详见表1。

表1 坝顶高程计算成果m

由于坝顶交通桥梁底应高于计算水面0.5 m，所以坝顶高程取383.80 m。

3.3 渗流稳定计算

水库设计洪水位382.10 m，校核洪水位382.59 m，正常高水位380.93 m。大坝抗震设计烈度为6 度，不进行抗震计算。水库大坝土料指标，详见表2。

表2 土料指标

根据大坝现状的实际运行条件和水位参数以及《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的相关规定，计算工况如下。

（1）正常运用条件。①正常高水位稳定渗流期上、下游坡的稳定计算；②设计洪水位稳定渗流期上、下游坡的稳定计算。

（2）非常运用条件Ⅰ。③校核洪水位稳定渗流期上、下游坡的稳定计算；④校核洪水位骤降至正常高水位情况上游坡的稳定计算。

（3）非常运用条件Ⅱ。⑤正常高水位+地震上、下游坡的稳定计算；⑥设计洪水位＋地震上、下游坡的稳定计算。

采用瑞典圆弧法对大坝上、下游坡进行稳定分析，坝坡稳定计算采用理正软件设计研究院有限公司的“理正边坡稳定分析软件”，大坝稳定计算成果详见表3。

表3 大坝稳定计算成果

由表3可知，大坝满足稳定性要求。

4 泄水建筑物

4.1 方案比较

坝址区两岸山坡较缓，没有天然垭口，溢洪道位置只能在坝体上、两岸或另开泄洪洞。因河道偏向左侧，溢洪道布置在左侧泄槽长度比布置在右侧短近40 m。从地质剖面图上看，左岸岩石覆盖层较薄，故将溢洪道布置在左岸。针对上述情况，对3种泄水建筑物的布置方案进行比较。

（1）方案1。在主河床处设置混凝土溢流坝，从堰顶溢流。本方案的优点是下泄水流直接入主河槽，下游水流衔接较平顺。其缺点是整个坝轴线长度仅261.175 m，而溢流坝段长度达14 m，大坝高度较高，两边都与大坝相连，施工干扰较大，同时处理2个衔接部分的难度较大。

（2）方案2。采用泄洪洞泄洪，其优点是泄水建筑物不在坝体上[5]，无施工干扰及衔接问题，可大大提高施工速度，坝体防渗性能较好。其缺点是投资较高，单打洞一项即需300万元左右，而且还要兴建至泄洪洞启闭机室的公路，相应电气投资也要增大，同时增加管理投资。

（3）方案3。在左岸布置岸边式溢洪道。从地形图上看，左岸地势较缓，如布置溢洪道，开挖量不大，而且左岸的覆盖层开挖后可以直接筑坝。大坝仅在一侧与溢洪道相接，施工干扰小，施工速度较快，总投资133万元，相对较少。

根据以上对比情况，选择方案3泄洪。

4.2 工程布置

溢洪道布置在大坝左岸，与大坝相接[6]，净宽12.0 m，单孔，两侧设置1.0 m 厚的边墙，整个溢洪道宽14.0 m。溢流堰采用宽顶堰，堰顶长8.0 m，坝顶设置交通桥，桥面总宽4.8 m，采用翼缘式矩形板结构。

（1）堰体。堰体坐落在强风化岩上，底高程374.7 m，底部采用C15 素混凝土回填至389.73 m 高程，净宽12 m。

（2）进水渠。进水渠底高程380.43 m，两侧与岸坡及溢洪道连接处做重力式混凝土导水墙，墙基础置于砂砾石土上[7，8]。进水渠渠底及左岸380.53 m高程以下采用30 cm干砌石防护。

（3）泄槽。泄槽进口处采用渐变断面形式，槽宽由12.0 m 渐变为6.5 m，渐变段长度为10 m，紧接渐变段后布置10 m 长的直段，直段后布置半径为48 m的弯道。泄槽底坡0.18∶1，总长98.899 m，为钢筋混凝土结构，基础坐落在强风化岩层上。泄槽整体为“U”形结构，底板厚0.6 m，两侧设钢筋混凝土边墙，顺坝轴线方向每隔一定距离设置1 道收缩缝，缝间设置橡胶止水带。

5 输水建筑物

为满足灌溉要求需设置取水建筑物，取水规模为0.16 m3/s。

5.1 方案比较

因为本水库的主要功能为灌溉，所以需设置引水建筑物。根据枢纽建筑物布置的需要，将引水建筑物布置在左岸。根据地形及地质情况，选择了坝内埋管与隧洞2种方案进行比较。

坝内埋管方案的主要优点在于比较经济，施工简单，可提高施工速度。因本工程引用流量较小，所需管径不足1.0 m，如要采用在山体中打输水洞方案，施工条件要求洞径至少在1.8 m，造价偏高，而且施工难度大，施工速度慢，因此选择了坝内埋管方案。

选定的坝下埋管方案的输水建筑物位于大坝左岸的山坡上，由进水口、坝下输水管及出口阀室组成。

5.2 工程布置

（1）进水口。在大坝上游左岸的岸坡上设置进水池，基础坐落在强风化岩上，进水池尺寸为2.5 m×2.5 m，一端连接取水装置，另一端连接输水管。为满足表层取水需要，取水装置采用浮筒式取水结构。

（2）输水管。输水管采用直径为0.5 m 的钢管，壁厚8 mm，管长129.512 m，管体坐落在基岩内，即在基岩内挖槽，将钢管完全埋入槽内，然后在槽内回填C10混凝土，既可稳固钢管，又可保证坝体在埋管处不会产生过大的沉降变形。

（3）出口阀室。在大坝下游左岸设置1 个24 m2阀室，为砖混结构。阀室一端连接输水管，为检修方便输水管接入阀室后设置1 台总阀，输水管经过总阀之后分为2根岔管，在2根岔管上分别设置1台控制阀，岔管通过控制阀后接出阀室。

6 结语

对于大南沟水库而言，选择合理的坝型及坝轴线不仅可以使该水库发挥其高效性能，而且可以保证其经济合理性。根据实际情况，初选出碾压式土工膜心墙土坝和碾压式黏土心墙土坝2 种坝型，通过坝轴线、工程地形地质条件、天然建材等方面深入对比分析，最终采用碾压式土工膜心墙土坝，可为相关工程设计提供参考。