龍宮河水庫工程選址與建筑物選型分析

韋 凱

（安順海錦工程設計有限公司，貴州 安順 561000）

1 工程概述

龍宮河水庫多年平均徑流量1612萬m3，推薦壩址控制集雨面積26.86km2。水庫校核洪水位1195.21m，總庫容628萬m3，水庫正常蓄水位1192.00m，相應庫容482萬m3，死水位1176.00m，相應庫容82.40萬m3，興利庫容399.58萬m3。龍宮河水庫工程任務包含灌溉、農(nóng)村人畜飲水及村鎮(zhèn)供水。

按SL252—2017《水利水電工程等級劃分和洪水標準》規(guī)定，水庫總庫容0.01億～0.1億m3處于標準范圍內(nèi)，工程等別屬于Ⅳ等，工程規(guī)模屬小（Ⅰ）型。

2 工程選址

2.1 地形

火麥河河段作為擬選的上壩址，其對岸基本對稱、沖溝較少、河道較順直，河床較平緩、負地形不顯著，露巖層巖性為中硬巖的優(yōu)質(zhì)工程地質(zhì)條件成為上壩址的最佳選擇；反觀拿門寨河流轉彎以下河段，河流左岸出露巖層巖石性質(zhì)復雜，包括泥質(zhì)灰?guī)r白云巖及少量礫狀灰?guī)r，負地形得以發(fā)育，基巖主要以中等～強巖溶層、中等～強透水層為主，使得建壩水庫滲漏問題更為顯著，防滲難度持續(xù)擴大。只有拿門寨附近原拿門寨小山塘壩址處為較好的壩址河段，本工程擬選為下壩址。

2.2 地質(zhì)

就上壩址而言，壩址往上時集雨面積偏小；中間河段的地質(zhì)條件選擇類似于上壩址，但其河床及地形條件相較上壩址不夠優(yōu)越，作為順向坡的河床左岸并不利于建壩；最后談及距離上壩址0.9～1.5km范圍內(nèi)下壩址，已知往上河床拓寬，河床及兩岸覆蓋沉積，不適于建壩，此時再往下選，同理河床將持續(xù)擴寬，河道右岸為順向坡，不具備建壩條件，故只有火麥河上壩址具有顯著優(yōu)越性。

綜上分析，可確定最優(yōu)壩址為火麥河上壩址。

3 工程建筑物選型分析

3.1 壩型選擇

從地形條件看，壩址河谷兩岸地形較對稱，適宜修建重力壩和面板堆石壩，而修建面板堆石板左、右岸坡地形較陡，需要大面積開挖邊坡（高達15～25m）方可修建溢洪道的條件，而且在大壩左岸布置放水隧洞及右岸布置沖沙隧洞，需要修建進閘門房路及人行步梯，土石方開挖量大（1220.0～1187.0m），邊坡處理工程量大，致使后期的水土保持及環(huán)境影響投資增大。

根據(jù)上壩址的工程地質(zhì)條件，上壩址較為適宜的壩型有面板堆石壩、重力壩，重力壩的材料可考慮漿砌石、混凝土或碾壓混凝土。受地形條件的制約，不適宜建拱壩，受天然建筑材料的制約，不適宜建土壩。

下壩址較為適宜的壩型有面板堆石壩、重力壩，重力壩的材料可考慮漿砌石、混凝土或碾壓混凝土。受地形地質(zhì)條件的制約，不適宜建拱壩，受天然建筑材料的制約，不適宜建土壩。

經(jīng)綜合比選，推薦上壩址漿砌石重力壩為下階段重點研究壩型。綜合實際情況與需求，在本階段，主要采取重力壩方案。

3.1.1 壩頂高程計算

大壩為4級建筑物，按30年一遇（P=3.33%）洪水設計和300年一遇（P=0.333%）洪水校核的控制工況來確定壩頂高程。水庫正常蓄水位1192.00m，根據(jù)調(diào)洪計算結果，設計洪水位1194.27m（P=3.33%），校核洪水位1195.21m（P=0.333%）。

按照SL25—2006《漿砌石壩設計規(guī)范》和SL319—2005《混凝土重力壩設計規(guī)范》規(guī)定設計，防浪墻頂或壩頂高程，根據(jù)各種運行情況的水庫靜水位加上相應超高后的最大值確定。防浪墻頂超高Δh按式（1）計算：

式中 Δh為壩頂超高（m）；hc為安全加高（m），大壩為4級建筑物，按SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規(guī)定，正常運用情況0.3m，非常運用情況0.2m；hz為最大風雍水面高度（m）；hb為最大波浪在壩坡上爬高（m）。

壩頂高程按規(guī)范取大于校核洪水位高程，防浪墻頂高程要求分2種情況計算：①設計洪水位+正常運用情況的墻頂超高；②校核洪水位+非常運用情況的墻頂超高。

防浪墻頂高程根據(jù)規(guī)范取為壩頂高程+1.2m，壩頂高程計算成果如表1。

表1 上壩址重力壩壩頂高程計算成果

從表1結果可以看出，計算壩頂高程1194.50m，根據(jù)規(guī)范壩頂高程大于校核洪水位1195.21m，根據(jù)泄水壩段交通橋縱梁高度控制，因此壩頂高程以協(xié)調(diào)泄水壩交通橋高最終取1196.10m，防浪墻頂取1197.30m。

3.1.2 壩體斷面設計

擋水壩段剖面上游面1175.0m以上鉛直，1175.0以下坡比1∶0.2，下游面壩坡1∶0.8，起坡頂點高程1189.85m，上、下游坡面直線交點位于壩頂。溢流壩段剖面參照擋水壩段剖面擬定。

非溢流壩及溢流壩主要建筑材料均為常態(tài)C15混凝土砌石，壩基礎面設置2.5m厚C20墊層混凝土，上游面混凝土防滲面板厚度1175以下為1.2m，1175.0～1185.90厚度1.0m，1185.9以上厚度0.8m，溢流壩段溢流面面層設1.0m厚的C25抗沖磨鋼筋混凝土，溢流面導墻為C25抗沖磨鋼筋混凝土。

3.1.3 大壩穩(wěn)定應力計算

龍宮河水庫上壩址主要結構面為巖石層面。不存在影響壩基或壩肩穩(wěn)定的楔體或棱體，壩基無構成雙面滑動的裂隙組合。重力壩的滑動模式仍以表面滑動為主。

沿建基面滑動按照抗剪斷公式進行計算：

式中 K′為按照抗剪斷公式計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為壩體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷系數(shù)；C′為壩體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力（kPa）；A為壩基接觸面截面積（m2）；∑M為作用在壩體上的全部荷載（包括揚壓力）對滑動平面的法向分值；∑P為作用在壩體上的全部荷載（包括揚壓力）對滑動平面的切向分值。

根據(jù)SL25—2006《漿砌石壩設計規(guī)范》及SL319—2005《混凝土重力壩設計規(guī)范》，采用安全系數(shù)法對大壩應力及穩(wěn)定進行復核。壩體應力計算采用材料力學法計算，根據(jù)SL319—2005《混凝土重力壩設計規(guī)范》規(guī)定，計算公式：

式中 J為計算截面對形心軸的慣性矩（m4）；∑W為作用于計算截面上法向力總和（kN）；∑M為全部荷載作用于計算截面形心軸的的力矩之和（kN·m）；A為計算截面面積（m2）；x為截面上計算點到形心軸的距離（m）。

將大壩相關數(shù)據(jù)代入公式運算，擋水壩段與溢流壩段的抗滑穩(wěn)定及應力計算結果如表2，將所得數(shù)據(jù)與國家標準進行比對，均滿足規(guī)范要求，因此擬定的大壩基本剖面是可行的。

表2 大壩壩基面應力與抗滑穩(wěn)定計算結果

3.2 工程量與投資分析

通過計算分析，混凝土面板堆石壩樞紐建筑物和砌石重力壩樞紐建筑的投資分別為4516.36萬元和4906.94萬元。從大壩壩體工程投資來說，面板壩的投入較小，但加上施工考慮，面板壩在操作難度上更大，所需工時與勞動力更多，可能面臨更高的投入風險，經(jīng)風險預算與可能投資預估，砌石重力壩靜態(tài)總投資比混凝土面板堆石壩省3209.65萬元。因此本階段推薦混凝土砌石重力壩為代表的當?shù)夭牧蠅涡汀｝垖m河水庫壩型樞紐布置方案主要經(jīng)濟技術指標比較如表3。

表3 主要經(jīng)濟技術指標比較

續(xù)表3

3.3 泄洪建筑物布置選擇及控制型式選擇

龍宮河水庫壩址左岸坡坡角約30°～35°，右岸坡坡角約為40°～45°，壩頂高程處河谷寬高比3.3。由于本工程為小（1）型水庫，水庫對上游水位稍有增高所加大的淹沒損失和加高壩身及其他建筑物的工程費用都不是很大，從施工簡單等各方面考慮，本工程不設置閘門；根據(jù)地形地質(zhì)條件，溢流堰頂可設置閘門，也可不設置閘門。由于該工程下游為保證自由泄流，按洪水重現(xiàn)期確定的洪水流量有一定的不確定性，采用溢流表孔較為安全，綜上所述，采用無閘門控制。

4 結語

本工程對龍宮河水庫選址、建筑物選型進行了分析，并確定了合理施工方案，避免出現(xiàn)不必要的誤差，但影響工程建設外在因素復雜多變，在水庫工程建設過程中應進行多次測量分析，提高準確性。