黑河市愛輝區轉心湖水電站攔河壩方案比選

呂仁國，孫蘭鳳，姚景光

(1.黑河市愛輝區水務局，黑龍江黑河164300;2.黑河市水利勘測設計院，黑龍江黑河164300)

1 工程概況

轉心湖水電站壩址位于石金河干流中游，距黑河市愛輝區山神府村南3 km，距黑河市區25 km。壩址以上流域面積421 km2，占石金河流域面積的54.5%。轉心湖水電站是一座以發電、工業供水為主，兼顧養魚等綜合利用要求的中型工程。

轉心湖水電站工程由攔河壩、溢洪道、引水系統和發電廠組成。

攔河壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩軸線呈折線型，在樁號0+154處呈38°折角。開敞式溢洪道布置在攔河壩左岸大壩樁號0+070處，軸線與壩軸線呈正交，沿軸線總長84.00 m。引水系統進水口布置在右壩頭上游220 m處。引水隧洞總長4 812 m，洞線走向由西到東，有3個折點，調壓井設在樁號4+838，后接壓力管道及電站廠房。

工程總投資11 372.94萬元，其中工程部分8 379.14萬元，移民及環境部分2 493.80萬元，送出工程500萬元。

2 攔河壩工程設計

2.1 壩址比選

根據石金河流域水能開發規劃及轉心湖水電站工程規劃選點、現場勘察及地質勘探;在規劃確定的同一河段上，從地形、地質條件分析，尋找適合建壩的壩址;按照在規模、效益、任務等同的條件下，本著工程布局合理、技術措施簡單、淹沒損失小，工程造價低，生態環保效益大的原則選壩址。

轉心湖水電站所在河段具有建壩條件的壩址有二處，即上壩址和下壩址，均位于石金河干流中游。上壩址位于山神府村南3 km，下壩址在上壩址下游直線距離約3 km處。本次從地形、地質、工程布置、施工條件、淹沒等方面進行綜合分析比較，選擇上壩址為所選壩址。

2.2 壩型及防滲型式比選

當地石料豐富，為了充分利用當地建筑材料和節省投資，初步擬定瀝青混凝土心墻堆石壩和漿砌石重力壩兩種壩型進行比較。

2.2.1 瀝青混凝土心墻堆石壩

該堆石壩，壩頂長366 m，頂寬6.0 m，上下游壩坡均為1∶1.5，上游壩坡設干砌石護坡。壩頂設鋼筋混凝土防浪墻，墻高1.0 m，墻底與瀝青混凝土心墻牢固相連。心墻頂寬0.18 cm，心墻兩側預制混凝土塊寬均為0.12 cm，心墻底座在混凝土齒槽上，槽底位于弱風化巖上限下0.5 m，其下為帷幕灌漿段。心墻兩側設碎石過渡層，過渡層后為堆石體，壩基進行帷幕灌漿處理。

2.2.2 漿砌石重力壩

漿砌石重力壩壩頂長366 m，頂寬6.0 m，上游壩坡1∶0.3，下游壩坡1∶0.8。迎水側采用1.0～1.5 m厚變斷面現澆混凝土做防滲體，底部采用1.00 m厚現澆混凝土墊層。壩體為漿砌石結構，壩頂設鋼筋混凝土防浪墻，墻高1.0 m，壩基進行帷幕灌漿處理。

經計算瀝青混凝土心墻堆石壩投資為1 773.48萬元，漿砌石重力壩投資為4 162.97萬元。

從經濟比較來看，瀝青混凝土心墻堆石壩投資較少，從施工角度，該地區低溫期長，高溫澆筑瀝青混凝土墻，冬季不影響施工，該壩適于做瀝青混凝土墻堆石壩，而漿砌石壩施工受季節限制，因此初選瀝青混凝土心墻堆石壩。

2.3 攔河壩設計

2.3.1 工程布置

攔河壩壩軸線呈折線型，在樁號0+154處呈38°折角，壩長366 m(自樁號0+000～0+366)，壩型采用瀝青混凝土堆石壩，壩頂寬6.0 m，最大壩高23.40 m，上、下游邊坡均為1∶1.5。防滲體采用瀝青混凝土心墻，心墻下接混凝土齒槽，壩基做帷幕灌漿處理。

2.3.2 壩頂高程確定

壩頂高程分別按設計和校核洪水位加壩頂超高計算，并選其最大值。

風向、風速資料:根據黑河市氣象站的風速資料推算出校核情況多年平均年最大風速，設計情況取其1.5倍，風向為SW。

水深及吹程:設計、校核情況對應的平均水深，按水域平均深度計算，吹程從1/5 000庫區地形圖量得。

壩高計算:按照《碾壓式土石壩設計規范》(SL274－2001)的規定，壩頂在水庫靜水位以上的超高值按下式計算:

式中:Y為壩頂超高，m;R為最大波浪在壩坡上的爬高，m;e為最大風壅水面高度，m;A為安全加高，按3級土壩取值。

風浪要素計算按莆田實驗站公式計算:

設計爬高值按工程等級確定，對3級壩取累積頻率P= 1%的爬高值R1%。

計算結果見表1。

表1 壩頂高程計算成果表 m

防浪墻頂高程取大值，即280.75 m，防浪墻高1.00 m，即壩頂高程為279.75 m。

2.3.3 斷面設計

壩型采用瀝青混凝土堆石壩，壩頂寬6.0 m，最大壩高23.40 m，上、下游邊坡均為1∶1.5。防滲體采用瀝青混凝土心墻，心墻下接混凝土齒槽，，壩基做帷幕灌漿處理。瀝青心墻為直立式結構，上部厚18 cm，死水位268.00 m以下厚度變為20 cm，心墻上下游兩側設12 cm厚混凝土預制塊副墻，混凝土預制塊與堆石體之間設置寬為3 m的碎石過渡區，心墻頂高程278.25 m。迎水側采用30 cm厚干砌石護坡，壩頂采用20 cm厚現澆混凝土路面。堆石壩的防滲體與溢洪道左右兩側邊墩連接采用加厚瀝青混凝土墻裹住邊墩。

2.3.4 滲流穩定分析計算

2.3.4.1 滲流計算

根據壩型及基礎處理方案，滲流采用有限深透水地基下設帷幕灌漿滲流公式進行計算，帷幕灌漿的防滲作用可以用相當于不透水底板的等效長度代替，單位長壩身及壩基的滲流量q及墻后滲流水深按校核及設計兩種情況由以下公式聯立求解:

式中:k1為心墻滲透系數，m/d;k0為壩基滲透系數，m/d;k2為堆石體滲透系數，m/d;H1為上游水深，m;H2為下游水深，m;ζy為內部垂直段阻力系數;σ為阻力系數比值，查曲線確定;Les為地下輪廓總計算長度，m;T為透水地基深度，m;S為帷幕灌漿深度(包括截水槽深度);B為心墻底部寬度，m;δ0為心墻頂寬，m;δ1為心墻底寬，m;δ為帷幕灌漿的厚度，m。

2.3.4.2 出逸比降計算

式中:J為出逸比降;a2為出逸點高度，m。滲流穩定分析成果見表2。

表2 滲流穩定分析成果表

滲流總量:

情況一:Q總=3.54×104m3/d;

情況二:Q總=3.02×104m3/d

由計算可知，滲流總量占多年平均徑流量的0.15%，壩體、壩基進行防滲處理后滲流量很小，出逸點與下游水位基本相同，根據《地質報告》，壩基土級配不良礫，允許比降取值≤0.15，所以壩基滿足滲透穩定要求。

2.3.5 壩體穩定計算

按《碾壓式土石壩設計規范》(SL274－2001)規定計算壩體穩定。

瀝青混凝土心墻堆石壩主要核算穩定滲流期校核水位、設計水位和距壩底1/3壩高水位的上下游坡穩定分析。采用畢肖普法，利用《土質邊坡穩定分析》(STAB－2008)程序計算。

對0+310斷面進行計算，計算中土體采用的物理力學指標根據地質勘察報告中土工試驗統計表及相似工程進行選取，見表3。土壩穩定分析計算成果見表4。

表3 物理力學指標

表4 土壩穩定分析計算成果表

堆石壩為3級建筑物，允許最小抗滑穩定安全系數:

正常運用:［Kmin］=1.30

非常運用:［Kmin］=1.20

計算結果表明，壩體抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，上、下游壩坡穩定。

［1］ 黃河水利委員會勘測規劃設計研究院.SL274—2001碾壓式土石壩設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］ 中國長江三峽工程開發總公司，中國葛州壩水利水電工程集團公司.DLT5144—2001水工混凝土施工規范［S］.北京:中國電力出版社，2001.