南峰水庫壩軸線及壩型方案選擇

□高衛瑞（滎陽市水務局）

1 壩軸線選擇

壩址、壩軸線的選擇對樞紐布置至關重要。壩址和壩軸線選定后，樞紐的各種建筑物布置也大體上確定。

結合本工程實際，主要考慮地形和地質條件應有利于建壩和布置其他建筑物，特別是布置泄洪建筑物，河谷宜盡可能窄，以節省壩體工程量，但地質條件要盡可能好，以減少地基處理工程量，同時還要考慮有利于布置泄洪建筑物。壩址宜選在河道順直段，以利于壩與河岸的連接；有時也可選在河道轉彎處，但轉彎半徑要大，既便于壩與河岸連接，又便于布置建筑物。上游不宜靠近支流出口，以免發生洪水時，引起壩前回流。

1.1 上壩線方案

（1）在地形方面主要考慮下壩線下游45m3的塌滑體對工程施工不利，左岸山體較大沖溝單薄、破碎，對壩體安全不利，需要防滲處理，工程量大。

（2）在地質方面巖基未發現大范圍的夾層。而下壩線處左岸基巖有一條寬200～250m呈北北東方向的強透水帶，右岸單薄分水嶺的透水性亦很大，左右岸巖石中等透水帶下限均可達巖面下約80m。河床地段基巖透水性與中等透水帶厚度具有從上游向下游逐漸變小的趨勢。同時，下壩線位于背斜下坡上，下游發現承壓水，使得壩體內的浸潤線很高，對壩體穩定十分不利。需要進行防滲和減壓排水處理。綜合相比較而言，下壩線的工程量大。

（3）在樞紐布置方面，上壩線的導流泄洪洞、溢洪道均布置在左岸單薄分水嶺，灌溉發電洞則布置在左岸東凹溝附近三級階地上。溢洪道堰頂高程757m，沿建筑物軸線巖層傾向下游。巖性主要為堅硬的細砂巖，其中軟弱層多為透鏡體，溢洪道各部分的抗滑穩定條件是好的。沿線基巖以厚層粉砂巖為主，巖石完整，透水性不大，洞頂以上巖層厚度較小。

（4）壩區有三個砂礫料場，其中在上游有王必、上山，下游有南峰溝砂礫料場。上壩線及砂礫料場的距離要近于下壩線。其他的土料場、石料場及骨料場兩個壩線的距離相差很小。

1.2 下壩線方案

（1）在地形條件方面，下壩線河床寬約120m，而上壩線河床寬約300m，上壩線的筑壩工程量比下壩線的工程量要大。

（2）在地質條件方面，下壩線左岸為二、三級階地，右岸731m高程以下為基巖，以上為三級階地。

（3）在樞紐布置方面，下壩線方案溢洪道可布置在右岸，灌溉發電洞移至上壩線溢洪道軸線西側約40m，工程量較上壩線明顯減少。導流泄洪洞位置與上壩線位置相同。下壩線方案沿線全為基巖，工程安全比較可靠。而上壩線在建筑物的基巖巖面上有0～5m厚的礫巖及厚度不等的亞粘土層，電站廠房處巖石風化層厚度約5～6m，對其產生的滲漏及土體坍塌應采取必要的工程措施。

1.3 確定壩軸線

綜合比較上、下兩條壩軸線，下壩線方案的處理工程量比上壩線大，施工技術較為復雜，施工難度較大；在地質和地形條件方面上壩線更具有可行性，上壩線離料場的距離也較近于下壩線。故本設計中，從安全和經濟上考慮選擇上壩線作為壩軸線。

2 選擇壩型

常見的壩型有：重力壩，拱壩，土石壩。以下對拱壩、重力壩和土石壩三種方案分別進行論述并選優。

2.1 重力壩方案

重力壩在水壓力及其他荷載作用下，主要依靠壩體自重產生的抗滑力來滿足穩定要求，同時依靠壩體自重產生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力以滿足強度要求。

在本工程中，若選重力壩，地基上覆蓋有大量的濕陷性黃土，需要開挖十幾米深的地基，工程量太大；壩區的材料無法滿足重力壩筑壩材料的要求，需外運大量的混凝土骨料及其他材料，工程造價將成倍提高，同時不能利用壩區內其他土料。

綜上所述，重力壩方案的工程造價太高，在經濟上不可行。

2.2 拱壩方案

拱壩是固接于基巖上的空間殼體結構，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面呈豎直的或向上游凸出的曲線形。壩體結構既有拱作用又有梁作用，其所承受的水平荷載一部分通過拱的作用壓向兩岸，另一部分通過豎直梁的作用傳到壩底基巖。壩體的穩定主要依靠兩岸拱端的反力作用，并不全靠壩體自重來維持。由于拱是一種主要承受軸向壓力的推力結構，拱內彎矩較小，應力分布較為均勻，有利于發揮材料的強度。拱的作用利用得愈充分，材料抗壓強度高的特點就愈能充分發揮，從而壩體厚度就可以減薄，節省工程量。拱壩的體積比同一高度的重力壩大約可節省，從經濟意義上講，拱壩是一種很優越的壩型，但拱壩對地質地形條件要求很高。

地形條件是決定拱壩結構形式、工程布置以及經濟性的主要因素。理想的地形應是左右兩岸對稱，岸坡平順無突變，在平面上向下游收縮的峽谷段。壩端下游測有足夠的巖體支承，以保證壩體的穩定。

河谷的形狀特征常用壩頂高程處的河谷寬度L與最大壩高H的比值，即“寬高比”L/H來表示。一般情況下，在L/H<1.50的深切河谷可以修建薄拱壩，在L/H<1.50-3.00的稍寬河谷可以修建中厚拱壩，在L/H>3.00～4.50的寬河谷多修建重力拱壩，而在L/H4.50的寬淺河谷，由于拱的作用已經很小，梁的作用將成為主要的傳力方式，一般認為修建重力壩或拱型重力壩較為合適。

地質條件也是拱壩建設中的一個重要問題。河谷兩岸的基巖必須能承受由拱端傳來的推力，要在任何情況下都能保持穩定，不致危害壩體的安全。在本工程，上壩址河谷順直，不利于壩體兩端的穩定，兩岸巖體不堅硬，不利于壩體兩端的穩定，地基的覆蓋層較厚，需要進行地基清理。壩址處存在斷層。以上問題均需要采取工程處理措施，所以地形條件并不適合修建拱壩。

2.3 土石壩方案

土石壩是指由土、石料等當地材料建成的壩，是歷史最為悠久的一種壩型。

在本工程中，若修建土石壩可以就地、就近取材，節省大量水泥、木材和鋼材，減少工地的外線運輸量，可大大節省工程造價。

土石壩能適應各種不同的地形、地質和氣候條件，地基僅需進行稍微處理（大約開挖2～3m即可），節省了工程量。

筑壩技術的不斷提高也為土石壩的質量提供了技術保障。

對于土石壩存在的制約因素，在本工程中并不明顯，巖基有足夠的強度來保證樞紐的穩定；設計洪水位和校核洪水位相應的下游尾水位均較低，容易解決施工導流問題；對于氣候條件，水庫壩址處沒有建立水文氣象站，根據附近氣象站1958—1963年和1970—1972年共9a資料統計分析，最高氣溫29.1℃(6月)，最低氣溫-14.3℃(1月)，多年平均日氣溫4-24℃。由此可見，氣候對施工有一定的影響，但可以采取措施加以控制。

通過對上面三種壩型的比較，最終選擇土石壩為基本壩型。

2.4 土石壩壩型選擇

根據防滲構造的類型，常見的土石壩型式有：均質壩、心墻壩(包括寬心墻、心墻、斜心墻)、斜墻壩等。以下對各種壩型方案進行比較論證。

2.4.1 土質心墻壩方案

土質防滲體位于壩體中間，上下游壩殼基本由一種透水料填成。土質心墻壩通常又可以分為寬心墻壩和窄心墻壩。

選用寬心墻壩還是窄心墻壩，要看土料儲量、土料離壩距離、土料物理力學性質、氣候條件、寬心墻對壩殼邊坡的影響等因素，最后根據經濟比較決定。選用窄心墻時必須確保填筑質量均勻一致。寬心墻施工受天氣影響較窄心墻要大，但是窄心墻通常會出現“拱效應”問題，應該認真研究解決。

2.4.2 土質斜墻壩方案

土質防滲體靠近上游，下游透水壩殼基本由一種透水材料筑成，適用于當地有豐富的土料和透水料，尤其是當不透水料場主要位于上游時，采用這種壩型便于土料上壩，施工方便。

在雨季或者冬季填筑土料有困難時采用土質斜墻壩，可以先填下游壩殼透水料，爭取工期；土質斜墻容易檢修；基礎處理干擾比較??；下游壩殼浸潤線比較低，對下游壩坡穩定有利；在多泥沙河流上斜墻與地基接觸的應力比心墻小，與地基結合不如心墻壩；同時，土質斜墻壩在壩體發生不均勻沉降時容易發生裂隙甚至斷裂；一般而言，同等高度的斜墻壩工程量比窄心墻壩要大。

2.4.3 均質土壩方案

壩體絕大部分采用同一種筑壩材料筑成。通常用弱透水土料，如粘土、壤土和礫石土等修建均質土壩。當受到料源限制時，偶爾也采用砂壤土和砂等透水性大材料修筑，但僅適用于對滲流量基本可以不控制的滯洪水庫，而且上下游壩坡比較緩，以滿足壩坡穩定要求。

均質土壩適用于當地只有一種筑壩材料的情況，其優點是：材料單一，施工工序簡單，干擾少；防滲部分厚大，滲透比降較小，有利于滲流穩定和減少通過壩體的滲流量；和壩基、岸坡及混凝土建筑物的接觸滲徑比較長，可以簡化防滲處理。

2.4.4 土石壩壩型選擇

土壩要使其在正常和非正常工作條件下，能滿足壩坡穩定、壩體變形在允許范圍內和滲流穩定等要求，即壩坡是穩定的，壩體沉降量不太大，不產生裂縫，滲漏水流量和水力梯度在允許范圍以內，不發生滲流破壞。選擇土壩壩型是設計土壩樞紐的重要問題。應根據樞紐布置的各個可能方案和筑壩材料的來源，進行技術經濟比較來確定。壩型選擇應考慮以下因素：

2.4.4.1 壩高

中低壩多采用均質壩，高壩宜采用多種材料分區壩，因為高壩用料較多，要盡可能采用當地土料，同時要充分利用樞紐中其他建筑物地基和地下洞室的開挖廢料；壩體土料分區還可縮小斷面，減少工程量。

2.4.4.2 筑壩材料

要盡量利用運輸距離短的當地材料和其他建筑物地基或地下洞室的開挖廢料。對于高土壩的防滲體材料，一般傾向于選用均勻、含有粗顆粒的粘性土料，因為這種土料強度較高，變形較小，而且便于填筑。至于防滲體是采用心墻還是斜墻，或者采用多種土料分區壩，應根據可作為防滲體材料的質量和數量而定。

對壩殼，最適宜的材料是碎石、礫石、砂礫石、用爆破方法開采的石料，也可用砂土、砂壤土等材料。

2.4.4.3 壩址地形條件

土壩能建筑在各種地形條件的壩址，當然在河谷較窄處建壩，工程量可減少。對于建在河谷較窄處的高土壩，適宜用心墻或斜墻壩，壩殼的多種土料分區不宜過多，以減少施工干擾。

2.4.4.4 壩址地質條件

土壩既可建在巖基上，也可建在河床覆蓋層上。雖然土壩對壩基地質條件要求較低，但應力求建在較堅硬、完整、透水性弱的巖基上，或承載力大、變形小、透水性弱的土基上；應當說一般的砂礫石覆蓋層是較好的土基。選擇壩型應能較好地適應壩基地質條件，對于深覆蓋層的壩址，宜采用心墻或斜墻壩，以減少覆蓋層的開挖量。

對于地震烈度較高的壩址，不宜采用細砂填筑土壩，一般宜采用斜心墻壩。

2.4.4.5 施工條件

要考慮施工導流、初期度汛、施工進度、施工分期、填筑強度、施工現場、運輸條件、施工機械和施工隊伍等因素對壩型的影響。選擇壩型，應盡量使構造簡單、便于施工。多種土質壩如分區過多，對施工不便。

2.4.4.6 氣候條件

在多雨地區，宜選用砂性材料筑壩；采用斜墻比心墻有利，因為斜墻壩的沙礫料透水壩體為一連續整體，可在降雨季節施工，而斜墻可在旱季趕筑。

2.4.4.7 樞紐布置

壩型的選擇應考慮土壩與樞紐中其他建筑物，如溢洪道、泄洪隧洞、泄洪廊道、水電站的輸水隧洞、供水的引水隧洞等的連接或相互位置。總之，壩型的選擇應便于樞紐各種建筑物的布置，對于高土壩樞紐常采用心墻或斜心墻壩。

2.4.4.8 運行條件

壩型的選擇應考慮運行期的上、下游水位變動情況和人防要求等。水庫水位變化頻繁或有驟降情況下，不宜采用斜墻壩或上游壩殼用細土料的壩型。

2.4.4.9 經濟方面

應綜合考慮土壩及樞紐的總工程量、勞動力、工期等因素，選用最經濟的壩型，使總造價降低。

對于壩軸線較長的土壩，可根據地形、地質和料場的具體條件，考慮壩軸線分段采用不同的壩型，但在壩型變換處應設置漸變段。此外，分段壩型也不宜過多，以免給施工帶來不便。

由以上論述及工程資料進行壩型比較：①斜墻壩。斷面較大，特別是上游坡較緩，壩腳伸出較遠，對其他建筑物的布置有一定的影響；且防滲體坐落在黃土和砂礫石地基上，黃土有濕陷性，易斷裂。②心墻壩。該工程中，重粉質壤土充足，為心墻壩提供了良好的防滲材料，上下游附近均有土料場，運距小，也為心墻壩的施工創造了好的環境。可以將其作為備選方案。③均質壩。同其他壩型比較，造價較低，且對地基要求低，施工簡單，干擾不大，材料單一，便于群眾性施工。從另一方面看，由于灌區缺水問題急待解決，上級也要求工程能盡快見效，且當地勞力缺乏，當然希望能盡早完工。盡早完工的同時也降低了工程總造價。

通過分析認為宜選擇均質壩。