水利工程中大坝坝址的比选

2024-01-04金向丹

广西水利水电 2023年6期

金向丹

（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

0 引言

水利水电工程中常见大坝坝型主要为土石坝、堆石坝、重力坝、拱坝等。土石坝由于对地形、地质条件适应性强、材料简单易取、筑坝施工高效，在20世纪五、六十年代为最常见坝型。重力坝能适应高水头、布置紧凑占地少、施工方便且在国家提出绿水青山就是金山银山的政策理念下，需要开采土料筑坝的土石坝失去其优势，故新建水源工程中往往推荐采用重力坝。

坝址位置的正确选择，能在工程安全、施工便利、节省投资、民生及社会稳定、经济效益上带来可观的回报。因此，什么样的坝址适宜建设什么样的坝型，需通根据工程枢纽附近的地形地质条件，水流河势条件和建筑材料、施工条件、枢纽布置、管理运行等方面综合研究决定。本文通过广西区内常见的坝型来简单论述坝址选择。

1 坝址选择原则

除现行法律法规、设计规范条文规定外，坝址的选择及选线还应遵循以下几条基本原则：

（1）地形条件。坝址一般选在狭窄河谷处，坝轴线短，坝体工程量小；并且坝址上游应有一定河谷开阔地带以获取足够的库容。

（2）地质条件。应选择地质条件良好地段，坝址处的岸坡要稳定，以减少坝基及岸坡处理的工程量。

（3）河势条件。坝轴线应尽量与河流流向正交，以利于布置泄洪建筑物保证下泄洪水流顺畅；当必须与河流斜交时，交角不宜过小，否则既增加了坝体工程量，又会使泄洪水流不顺。

（4）建筑材料。坝址附近应有足够符合要求的建筑材料。

（5）施工条件。坝址附近应有适宜的地形布置施工场地；距离交通干线近便于交通运输。

（6）水库淹没。合理选择坝址，尽量减少库区村屯、耕地的淹没，减少征地移民难度，维护社会稳定。

2 水库扩容工程

广西东南部某水库现状承担上万亩农田灌溉及两个乡镇的供水任务，由于未来15年的水资源配置规划，将扩大该水库的供水能力，因此，需对该水库进行扩容。

由于该水库还为现状供水范围提供生产生活用水，故在扩容建设期间还应保持持续供水，除上述的选址原则外，还应注意以下几点：

（1）为了减少工程用地以及大坝工程量，应尽量利用现有的坝址，充分利用现有库区以及现有建筑物进行加高扩建。

（2）在实施扩容施工期间仍需保证现状供水的不中断，因此在选取坝址时应考虑保证供水的方案，且所选坝址应尽可能满足重力流供水，以降低供水成本。

2.1 坝址选择分析

2.1.1 现状水库上游河段

在水库上游河段选择坝址宜选择在现状水库库尾以上的河段，现状水库正常蓄水位延伸至水库库尾距离现状水库大坝约3.6 km：

（1）库尾以上河道蜿蜒曲折难觅河势顺直河段，上游河谷较为狭窄，难以获得足够的水库库容；

（2）现状库尾村庄众多，若在上游建坝势必将造成大量的新增水库淹没占地，导致移民补偿剧增；

（3）在现状水库上游建坝施工将会对水库的水质造成污染，威胁下游用水对象的饮水安全；

（4）上游建大坝蓄水，要达到扩容后相同的兴利库容，相应水位高程处两岸山谷宽超过500 m，若在此建坝，投资极为高昂。

综上原因，扩容工程的坝址不宜布置于现状水库上游。

2.1.2 现状水库下游河段

原坝址下游约600 m 开始，村庄众多人口密集并有省道经过，且地形开阔，故坝址不宜再往下游选择。因此，可选坝址在原坝址至下游600 m 范围内选择。

在进一步走访当地群众及管理人员，并在地质勘察的基础上，了解到现水库大坝坝体稳定，且运行多年未发生过重大安全事故，故可考虑现坝址位置作为本次工程的一个比选坝址（上坝址方案）；此外，除了原坝址位置，在现坝址下游约450 m处有一个垭口，也适合修建大坝，故可做为另一个比选坝址方案（下坝址方案）。

2.2 坝址比选

（1）上坝址处于丘陵地貌河谷中，河谷为典型的“V”型谷，两岸山体总体高大雄厚，岸坡总体较平缓，坝址区基岩主要为混合岩，岩质坚硬，岩体强度高。坝址区无大的地质构造及区域断裂穿过，地质构造相对简单，岩体节理裂隙虽较发育，但连通性较差。左、右两岸岩体存在差异风化现象，全～强风化总体较发育，埋深总体较大，属中等～弱透水性，弱风化岩体为中等～极微透水性，隔水性较好，地下水总体呈两岸向库盆渗流的趋势，表明不存在绕坝渗漏的问题。坝址区工程地质条件较为简单，无大的不良地质现象，无大的工程地质问题。原大坝稍上游位置有开阔腹地，是水库库容形成的主要区域，坝址不宜上移；若拆除原大坝再重新填筑，将严重影响下游日常生活生产用水，且工程量巨大；若在原大坝稍下游建坝，在相同兴利库容对应水位高程处两岸山谷较宽，填筑坝体工程量也很巨大，故此本次设计上坝址大坝拟在原大坝基础上加高培厚建成新坝。该工程土料场土料可开采质量和储量均能满足大坝填筑要求，此外，枢纽其他建筑的开挖料也可做为坝体填筑料。故上坝址大坝拟采用与原大坝一样的坝型即土石坝，不再考虑其他坝型，故上坝址推荐采用原坝加高培厚方案。

（2）下坝址属丘陵地貌单元。该段河谷总体顺直，两岸相对狭窄，为典型的“V”型谷，谷底宽约8.0～10.0 m，河水总体自南东向北西流；两岸山体总体高大雄厚，岸坡总体较平缓，除局部（尤其是道路边坡开挖断面处）较陡（坡度60°～80°）外，其余部位坡度一般20°～40°。谷底一般为第四系冲积物所覆盖，两岸总体为第四系残坡积土层所覆盖，局部人工开挖断面处可见基岩出露。上、下坝址处于同一地层地貌单元，岩性特征相同，岩体风化规律及岩体透水性相似，全～强风化岩体属中等～弱透水性，弱风化岩体属中等～极微透水性。地下水由两岸向河谷渗流。下坝址适于新建土石坝及重力坝，各建坝方案因位置相同，故地形地质条件、建筑材料条件、施工条件基本相同。工程运行管理条件方面，因水库集雨面积大，库水位涨落速度较快，对土石坝坝坡的稳定安全影响较大一些，在抵御超标洪水的能力方面，尤其是在超标洪水越坝的安全性上，混凝土重力坝方案要优于土石坝方案，因此，从工程运行管理条件及工程投资、效益方面，下坝址重力坝方案更优。

（3）通过选出的上坝址方案与下坝址方案，在库容相同、水库效益相近的条件下，再做比选，并决定出推荐坝址方案：

2.2.1 地形及地质条件比较

上、下坝址相距约450 m，两个坝址处于同一地层地貌单元，岩性特征相同，岩体风化规律及岩体透水性相似，全～强风化岩体属中等～弱透水性，弱风化岩体属中等～极微透水性。地下水由两岸向河谷渗流。下坝址与上坝址工程地质特征相似，工程地质条件较为简单，无大的不良地质现象，无明显工程地质问题，其地质条件基本具备修建土石坝及中、小型砼重力坝的条件。故地形及地质条件两个坝址情况基本相同。

2.2.2 建筑材料条件比较

上、下坝址均可利用开挖或从土料场采购（运距5 km），钢材水泥等可从县城购买（运距42 km），混凝土骨料需从8 km 外的石场购买，此外，上坝址因利用原坝体，故只需填筑新加高培厚部分坝体即可，而下坝址为新筑大坝，全部坝体均为新建浇筑，用料上较上坝址量大，而且建成后还需将原大坝拆除，工程量巨大。因此建筑材料条件上，上坝址优

2.2.3 施工条件比较

上、下坝址处于丘陵地貌河谷中，河谷为典型的“V”型谷，两岸山体总体高大雄厚，岸坡总体较平缓，除局部（道路边坡开挖断面处）较陡（坡度60°～80°）外，其余部位坡度一般20°～40°，施工区布置受限条件基本相同；施工导流方面，上坝址可利用原坝输水隧洞导流，无需清空库水施工，当建成新输水隧洞后再利用输水隧洞导流，施工过程中时间充裕，各建筑施工不受导流制约，下坝址施工时，需先将库水清至死水位，并需抢在下个汛期来临前建成输水隧洞，且下坝址工程建设中虽然也可能利用原坝体挡水，但因上、下坝址相距450 m，也需建导流管将此区间一部份来水引流以及上游多余库水（此水量虽小但依然存在），施工过程中时间紧张，各建筑施工受导流制约。因此施工条件上，上坝址优。

2.2.4 工程运行管理条件比较

上、下坝址相距不远，各建筑物设计形式相同，库水流态对建筑物冲刷浸泡影响基本相同。故工程运行管理条件两个坝址情况基本相同。

2.2.5 工程总投资比较

经两坝址方案的工程总投资估算成果表明，上坝址方案工程投资为4.5 亿元，下坝址方案工程投资为6.2 亿元，上坝址方案较下坝址方案程投资省1.7亿元。

综合上述，该工程的坝址推荐采用上坝址。

3 新建水源工程

桂西北某水库在20世纪六十年代建坝之初，当地人口并不多，水库还能肩负起其供水任务，随着社会发展，供水范围内已有数千人及上千亩农田，因大坝建在流域源头附近，集雨面积小，已经无法对原设计供水范围供水，只能供少数村及日常用水及应急的备用水源。由于从其他地方取水，距离远，或是需要加压供水，代价较大，故拟在该水库附近新建一座更大库容的水库，以保证十数年内的居民用水。

结合业主意见及当地群众诉求，原水库在施工期间应能保持正常运行，确保现供水对象的供水安全。因此在坝址选择时应首先保证现供水对象供水安全为原则，其次选择的坝址应尽可能满足自流供水，以降低供水成本。

在大坝下游约220 m 处左岸山体有一条长约600 m 的穿山隧洞，群众用水的引水管从水库经由此洞穿山而过到达供水区，故若要求重力自流供水，则新建的水库死水位不能低于隧洞进口。

3.1 坝址选择分析

3.1.1 现有水库大坝上游河段

现有水库库尾距离大坝约420 m，距离所在河流源头约500 m。

（1）库尾以上河道蜿蜒曲折难觅河势顺直河段，上游河谷较为狭窄，且距离河流源头很近，难以获得足够的水库库容及集雨面积，天然来水量少，或需要依靠较高大坝才可多蓄来水以达到人饮及灌溉要求。

（2）在现状水库上游建坝施工将会对水库的水质造成污染，威胁下游用水对象的饮水安全。

综上原因，本工程的坝址不宜布置于现状水库上游。

3.1.2 现状水库下游河段

河道下游河床高程低，河床较宽，集雨面积较大，天然来水量满足人饮和灌溉需水，但是由于河床高程相对较低，无法满足人饮及灌溉自流引水要求，需进行加压到现状左岸山体已建穿山隧洞进口高程，再经自流进入高位水池再通过现状输水管网至用户，综合地形地貌及供需水量分析，可选的坝址有3处：上坝址位于现有水库坝址处，中坝址位于现水库大坝坝址下游约100 m 处，下坝址位于现状大坝下游约250 m处。上、中、下坝址位置见航拍照片（图1）。

图1 现状水库上游的地形地貌

坝址区属于河谷类型，两岸地形坡度30°～40°且左、右岸山体基岩埋藏较深，拱坝要求“地形应是左右岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩，坝段下游侧要有足够的岩体支撑，保证坝体的稳定”，从现场地形来看，坝址处不适宜建拱坝。

工程区周围区域山坡覆盖层较薄，土料储备分散，无法进行大方量集中开采，若考虑分散开采土料，工程投资及环保代价过于巨大。当地山多地少，缺乏用于土坝建筑的土料，残坡积土层较厚的土坡，基本上被当地农民开荒种树等，且多处在没有道路通行的高坡上，开采难度大。经布置及测算，修建土坝需约50万m3粘土，当地难以解决如此大方量的粘土料源问题，故不宜修建土坝。

坝址地层岩性以中厚层状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、中厚层～薄层状砂岩、薄层状泥质粉砂岩为主。河床部位强风化岩体下限深度较浅，其深度达3～5 m。中、低坝重力坝建基面一般都在弱风化层中、上部，需要剥离强风化岩层稍薄，土石方开挖量较少。坝基持力层弱风化岩体工程地质类别为Ⅳ类，岩体较完整，承载力、抗滑及抗变形性能较高，工程地质条件较好，因此适合建重力坝。

综上所述，本次工程坝址比选以混凝土重力坝为代表坝型。

3.2 坝址比选

（1）地形及地质条件比较。通过对各坝址地形地貌、地层岩性、地质构造及水文地质条件等综合分析，各坝址相距不远，地形地貌及地层岩性情况基本相同，具体情况见表1。

表1 各坝址工程地形、地质条件比较表

（2）建筑材料条件比较。重力坝采用骨料（碎石、砂及块石）需在县城购买，有公路通达砂场，运距约31 km，两处坝址距离相隔不远，从建筑材料的供应和数量来分析，各坝址条件基本相同。

（3）施工条件比较。根据施工进度安排，上坝址方案需拆除现有大坝，且需填筑围堰，工程量大，中、下坝坝方案可利用现有大坝做为围堰挡水及渡汛，可少填或不填筑围堰，工程量小，故中、下坝址施工条件及方法较优，工期相差不大且均短于上坝址方案。

（4）工程运行管理条件比较。上、下坝址相距不远，各建筑物设计形式相同，库水流态对建筑物冲刷浸泡影响基本相同。此外，上坝址死库容约2万m3，中坝址死库容约8 万m3，下坝址死库容约27万m3。各坝址方案遇上枯水年时死库容部份水量需用水泵抽取，死库容越小，用电抽水耗资越小，保证率越高，从当地居民意愿上自流水量越多越好，抽取水量越少越好，即有效库容越大，可靠性越高。故工程运行管理条件上、中两个坝址情况基本相同且均优于下坝址方案。

（5）主要工程量及工程总投资比较。上坝址方案工程投资为约1.9 亿元，中坝址方案工程投资为1.67亿元，下坝址方案工程投资为1.75亿元，故中坝址优于其他两个坝址。

综合上述，本阶段坝址选择推荐采用中坝址。