花壩水庫大壩壩址壩型比選及結構布置

白 超

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

花壩水庫位于桐梓縣芭蕉鎮北部的橋溝中游，橋溝為羊蹬河左岸三級支流，復興河左岸二級支流，帥家溝右岸一級支流，屬于長江流域綦江水系。壩址以上流域面積為2.74 km2，多年平均入庫徑流量為154萬m3。工程任務為集鎮、農村供水及農田灌溉，設計水平年(2030年)年供水量為103萬m3。正常蓄水位為1 018.00 m，相應庫容為78.1萬m3，總庫容為89.0萬m3。水庫樞紐主要由瀝青混凝土心墻壩、右岸開敞式溢洪道、左岸取(放)水建筑物等組成，最大壩高為48 m。水庫規模為小(2)型，工程等別為Ⅴ等。

2 建壩河段及壩線壩型比選

2.1 建壩河段選址

結合芭蕉鎮發展規劃、區域用水戶缺水情況等，設計確定花壩水庫工程任務為集鎮、農村供水及農田灌溉。區域2030年需水量為106.9萬m3/a，現狀水源無更新改造、續建配套的條件，現狀水源供水量為16.7萬m3/a，缺水量為90.2萬m3/a，缺水率達84.4%。為解決芭蕉集鎮7 800人生活用水問題、輸水管沿線及灌區4 500人用水問題和下游230.66 hm2灌面的用水問題，區域必須新建水源工程才能滿足需水要求。芭蕉鎮所在區域主要分布有復興河及其支流作坊溝、大洞溝、帥家溝、黃溝溪、橋溝等，與復興河干流呈樹枝狀發育展布，復興河干流河床總體平緩，其上游河段與支流河床比降總體較大。總體區域水系相對較發育，但區域受地質構造影響，區內巖溶發育，水資源開發條件差，利用困難，境內水利工程較少，受水區目前沒有穩定的供水水源工程，是桐梓縣目前缺水較嚴重的區域，屬于典型的工程性缺水地區。芭蕉鎮區域流域分布如圖1所示。

1) 復興河

發源于桐梓縣芭蕉鎮長巖村的正家灣，屬綦江右岸二級支流，羊蹬河左岸一級支流，全流域面積為259 km2，河長為28.7 km，平均坡降為16.7‰。復興河半坡至芭蕉集鎮河段建壩成庫存在深部巖溶滲漏問題，防滲處理難度及工程量極大；半坡以上至河源河段兩岸多為碎屑巖地層分布，雖不存在巖溶滲漏問題，但該河段河床比降總體較大，集雨面積小(僅1.2 km2)，來水量不能滿足區域用水需求，不考慮在復興河干流修建花壩水庫工程作為受水區供水水源。

2) 作坊溝

作坊溝發源于桐梓縣芭蕉鎮頂箐山，全流域面積為2.5 km2，多年平均徑流量為150萬m3，主河道長為3.66 km，主河道加權平均比降為110‰。作坊溝來水量較小且全流域河谷深切，山高坡陡，河段比降大，無建壩成庫條件。

圖1 芭蕉鎮區域流域分布示意

3) 大洞溝、黃溝溪和帥家溝

3條河流均為羊蹬河左岸二級支流，復興河右岸一級支流，其中：大洞溝發源于桐梓縣芭蕉鎮頂箐山，全流域面積為5.8 km2，多年平均徑流量為348萬m3，河長為4.42 km，主河道加權平均坡降為93.9‰；黃溝溪發源于桐梓縣芭蕉鎮筍子槽，全流域面積為10.4 km2，多年平均徑流量為624萬m3，河長為5.5 km，主河道加權平均坡降為60.2‰；帥家溝發源于桐梓縣芭蕉鎮苗寨坪，全流域面積為13.0 km2，多年平均徑流量為780萬m3，河長為4.74 km，主河道加權平均坡降為84.0‰。黃溝溪鑼鼓坪以上河段和帥家溝河流河道比降大，河谷深切，兩岸多為陡崖，無有效庫容，不具備建壩成庫條件。大洞溝和黃溝溪鑼鼓坪至河口河段河道，受區域斷層構造影響，流域內巖溶發育，河谷多形成干谷，僅汛期暴雨季節河谷見水流，雨過天晴河水迅速下潛，河流干涸。建壩成庫存在深部巖溶滲漏問題，防滲處理難度及工程量極大[1-2]，也不考慮在這3條河流上修建花壩水庫。

4) 橋溝

橋溝為羊蹬河左岸三級支流，復興河左岸二級支流，帥家溝右岸一級支流。發源于桐梓縣芭蕉鎮長巖村的糍粑店，全流域面積為3.75 km2，地表分水嶺外補水面積為0.24 km2，河長為4.1 km，流域形狀系數0.223，主河道加權平均坡降為74.0‰，多年平均徑流量為229萬m3。橋溝上游河段集雨面積小，來水量有限，不能滿足受水區用水需求。下游河段洞灣斷層F1以下河流總體較順直，兩岸地形陡峭，對稱性較好。出露地層巖性均為寒武系上統毛田組(∈3m)白云巖,白云質灰巖及灰巖，兩岸基巖多裸露。該河段地形條件雖較好，但地層巖性不均一，巖溶發育強烈，存在沿強巖溶層向下游、兩岸低鄰谷及左岸高速公路隧洞滲漏問題，建壩成庫防滲工程量極大，處理難度極大，不宜建壩成庫。橋溝中游石壩子河段兩岸地形相對較對稱，岸坡相對較緩，河床比降相對平緩，出露地層主要為寒武系上統毛田組(∈3m)、奧陶系下統桐梓組(O1t)、湄潭組(O1m)及第四系(Q)地層。該河段地形地質滿足建壩成庫條件，且來水量能夠滿足受水區用水需求，供水對象均能夠滿足自流供水，該河段具有建壩唯一性，優選橋溝中游石壩子河段作為花壩水庫工程建設場址。

2.2 壩型比選

根據建壩壩址處的地形地質條件，區域構造洞灣斷層F1以下為強巖溶地層，存在深部滲漏問題，防滲處理難度極大。2、4號沖溝處斷層F1帶受斷層切割影響，風化深度大，巖體破碎，多呈散體或碎裂狀結構，巖體質量差，斷層帶透水性強，建壩基礎處理及防滲處理工程量大，處理難度大。結合花壩水庫規模要求及樞紐布置，建壩選擇在F1斷層上游左岸1、2號沖溝及右岸3、4號沖溝之間河段。該河段兩岸均有沖溝發育，右岸為相對單薄的脊狀山體，兩岸地形對稱性較差。河床多為厚3～6 m沖洪積砂卵礫石、崩塌塊石等覆蓋層，岸坡地表多為0～5 m殘坡積含碎石砂質土等覆蓋，且厚薄分布不均。壩基、肩巖體以O1m頁巖、粉砂質泥巖軟質巖為主，弱風化為CⅢ～CⅣ類，巖層以3°～4°緩傾左岸偏上游，近水平產出，受區域斷層F1影響，存在斷層破碎帶，節理裂隙較發育。河床巖體強風化深度3～5 m，兩岸6～9 m不等。壩址處地形地質條件，不宜修建重力壩或拱壩，宜修建土石壩。

結合壩址區附近有少量粘土料分布，但其儲量無法滿足均質壩和粘土心墻壩的用量要求，因此,考慮采用非土質防滲體材料壩。瀝青混凝土心墻壩的心墻瀝青混凝土受外界氣候及光照影響較小，幾乎不受酷暑及嚴寒冰凍的影響，且瀝青混凝土的攤鋪、壓實工序較簡單，與河床及兩岸混凝土及基巖易于連接，帷幕灌漿工作量較省，可作為備選壩型之一；另外，混凝土面板堆石壩較其他類型柔性壩，具有壩體斷面小，可以利用部分開挖料筑壩，趾板澆筑、壩體填筑、面板澆筑等工序可獨立進行互不干擾，壩址地形地質條件上均有布置混凝土面板堆石壩的條件，亦可作為備選壩型之一。

花壩水庫壩型樞杻方案綜合比較如表1所示，從表1對比結果可知，瀝青混凝土心墻壩方案可節省投資約405.32萬元，且可以充分的利用各建筑物的開挖棄渣料，因此，設計優選瀝青混凝土心墻壩方案。

表1 壩型樞杻方案綜合比較

3 瀝青混凝土心墻壩結構布置

3.1 大壩樞紐布置

大壩樞紐由瀝青混凝土心墻壩、右岸溢洪道、左岸取(放)水建筑物等組成(如圖2所示)。

1) 擋水建筑物

大壩壩型為瀝青混凝土心墻壩，壩軸線方位角為N 21.0°E，壩軸線長為160.0 m，壩頂高程為1 021.00 m，壩頂寬為5.0 m，河床瀝青混凝土心墻基座基礎開挖高程為973.00 m，最大壩高為48.0 m，最大壩底寬為189.70 m。壩頂上游側設青石欄桿(實心防浪攔板)，壩頂下游側設青石欄桿。上游壩坡坡比為1:2.2，上游壩坡為995.00 m高程以下采用厚60 cm干砌塊石護坡，995.00 m高程以上采用厚10 cm厚C20混凝土預制塊護坡；下游壩坡1:2.0，下游壩坡在高程1 000.00 m設寬2.0 m馬道，坡面采用C20混凝土網格植草護坡，977.00 m高程下設干砌塊石排水棱體。

壩體防滲體為瀝青混凝土心墻，瀝青混凝土心墻采用等厚式，心墻厚度為60 cm。心墻與基礎采用C20混凝土基座連接，其中瀝青混凝土與基礎基座及壩頂防浪墻連接處設擴大段，在接觸面涂抹砂質瀝青瑪蒂脂過渡層并設銅片止水。為了使心墻和壩殼料之間平緩過渡，在壩殼料與心墻之間設一個分區砂石料過渡層，層厚2.0 m，設計干密度不小于2.16 g/cm3，過渡層砂石料最大粒徑為80 mm，小于5 mm的顆粒含量不大于40%，其中緊靠心墻上下游側過渡料采用同一級配，其粒徑要求不大于50 mm。

圖2 瀝青混凝土心墻壩樞紐布置示意

2) 溢洪道

溢洪道布置于右岸，采用正槽進口、不設閘自由溢流方案，溢洪道中心線方位為N75.74°E。溢洪道包括進水渠段、控制段、泄槽段、消力池段和出水渠，總長為168.0 m。

3) 取(放)水建筑物

取(放)水建筑物布置在左岸，由導流洞改建而成，由進水口閘井段、壓力管道段、出口閘閥室及消力池等組成[8]，總長約為272 m。進口采用塔式進水口，長為12.45 m，其后采取“龍抬頭”式與隧洞連接。導流隧洞斷面為城門洞型，尺寸為1.80 m×1.80 m，全斷面采用0.4 m厚C25鋼筋混凝土襯砌。放空管出口接消力池，長為7 m，寬為2 m，經下游明渠將泄水引入原河道。

3.2 壩體結構布置及壩基處理

3.2.1壩頂高程確定

花壩水庫正常蓄水位為1 018.00 m，設計洪水位為1 019.64 m，校核洪水位為1 020.20 m，風區長度D=450 m。計算風速：校核情況取W=12.0 m/s，正常情況取W=18.0 m/s。根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)公式計算[9]，得壩頂高程計算成果(如表2所示)。

從表2可知，壩頂高程的控制情況為非常運用條件1 020.20 m校核洪水位工況，計算壩頂高程為1 021.12 m，采用壩頂高程為1 021.00 m。另在上游側增設1.2 m高的青石欄桿，頂部高程為1 022.20 m，青石欄桿兼作防浪墻，攔水頂板高程為1 021.60 m。

表2 壩頂高程計算成果

3.2.2壩體結構布置

大壩為瀝青混凝土心墻壩，結合壩體施工填筑要求及交通要求，擬定大壩斷面尺寸：壩軸線長為160.0 m，壩頂寬為5.0 m，壩頂高程為1 021.0 m，河床心墻建基面高程為973.00 m，最大壩高為48.0 m，最大壩底厚為189.70 m，壩殼料采用風化料及工程區內部分開挖棄渣料。壩頂采用“L”型鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程為1 022.20 m。上游壩坡坡比為1:2.2，上游壩坡在995.00高程以上采用10 cm厚C20混凝土預制塊護坡，在995.00高程以下采用60 cm厚干砌石護坡；下游壩坡為1:2，下游壩坡在高程1 000.00 m設寬2.0 m馬道，坡面采用C20混凝土網格植草護坡，977.0 m高程下設干砌塊石排水棱體。

壩體防滲材料為瀝青混凝土，瀝青混凝土心墻厚度為60 cm。心墻與基礎采用C20混凝土基座連接，其中瀝青混凝土與基礎基座及壩頂防浪墻連接處設擴大段，并在接觸面設砂質瀝青瑪蒂脂過渡層。為了使心墻和壩殼料之間平緩過渡，在瀝青混凝土心墻上下游與壩殼料之間設一個分區砂石料過渡層，層厚2.0 m。壩體填筑應密實均勻、具有足夠的抗剪強度和低壓縮性[10]。按花壩水庫工程大壩材料分區，壩體各區填筑質量標準(如表3所示)。

表3 填筑質量標準

注：1.最大干密度采用大型擊實試驗確定；2.防滲瀝青混凝土壓實后滲透系數≤1×10-8cm/s。

3.2.3壩基處理

1) 開挖

花壩水庫最大壩高48.0 m，根據規范要求和河床段、左右岸心墻基礎的地質條件，心墻基礎應開挖至堅硬、不沖蝕和可灌漿的基巖，將心墻基礎于強風化底部，河床段心墻基礎挖深2～5 m，左岸挖深2～7 m，右岸挖深2～8 m。對心墻以外的上、下游的壩基基礎要求清除0.50 m左右耕植層，使岸坡大致平順，不出現陡坎、臺階及反坡。在心墻基座開挖中，對地質條件較差位置的開挖邊坡采取錨、網、噴聯合支護處理。除受層面控制外，土質邊坡開挖坡比采用1:1，巖質邊坡開挖坡比采用1:0.5。

心墻基礎開挖中，對大壩開挖永久土質邊坡坡腳設1 m高C15混凝土擋墻護腳，坡面設C15混凝土菱形框格，植草護坡；巖質邊坡采取噴錨支護處理，掛網噴混凝土厚度為10 cm，并布置Φ25的系統錨桿，錨桿根長為3.0～4.5 m；對地質條件較差位置的壩基開挖巖質臨時邊坡采取噴錨支護，并布置Φ25的隨機錨桿，錨桿根長為3.0～4.5 m。

2) 基礎灌漿

大壩基礎開挖過程中，爆破震動可能使巖體松動，從而降低其承載力，為保證壩基巖體的完整性，需對大壩心墻基礎作固結灌漿處理，固結灌漿孔間、排距均為2.0 m，孔深為5.0 m，固結灌漿總進尺為1 324 m。

花壩水庫規模為小(2)型工程，心墻壩最大壩高為48.0 m，屬中壩，防滲標準采用透水率q≤5 Lu控制，因壩基巖體主要為頁巖、粉砂質泥巖等碎屑巖，可灌性一般。設計防滲帷幕單排孔布置，孔距2.0 m，按3序次施工。瀝青混凝土心墻壩防滲帷幕灌漿鉆孔總進尺4 347 m，防滲帷幕有效總面積約0.67萬m2。

4 結語

為確保花壩水庫設計方案與工程實際具有較好匹配性，通過對建壩河段、壩址壩型和樞紐布置進行論證和對比分析，得出以下結論：

1) 根據芭蕉鎮發展規劃和區域用水戶缺水情況，結合芭蕉鎮區域流域分布情況，經現場踏勘和地質鉆探分析，對各河流建壩成庫條件、地質適宜性和壩基防滲處理等進行詳細論證，優選橋溝中游石壩子河段作為花壩水庫工程建壩場址。

2) 壩址處受區域斷層F1影響，存在斷層破碎帶，節理裂隙較發育，不具備修建重力壩或拱壩條件，宜修建土石壩。經地基要求及壩型特點、泄洪及取(放)水建筑物布置、施工條件和綜合投資等因素的對比分析，設計優選地形地質適宜性好、開挖棄渣料利用率高、綜合投資較省的瀝青混凝土心墻壩。

3) 設計方案評審論證表明：花壩水庫瀝青混凝土心墻壩結構設計、壩體分區及筑壩材料選擇、壩基開挖及防滲處理等均較為合理，結構參數符合規范要求。