松子坑水庫改擴建工程壩型設計方案研究

董世偉

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

0 引言

大壩是水庫工程主要建筑物之一，投資占比較大，合理選擇壩型，有利于保證工程安全可靠、節省工程投資[1]。現代施工技術的進步，新型筑壩材料層出不窮，可利用壩型也越來越多，這給壩型的選擇增加了難度。松子坑水庫改擴建工程基于已有壩體和當地筑壩材料，初步擬定了粘土斜墻土石壩、粘土心墻土石壩和瀝青砼心墻土石壩三種壩型，從技術可行性、施工條件、檢修便利性及投資額方便進行了綜合比選分析，充分體現了改擴建工程壩型選定的思路。

1 工程概況

松子坑水庫位于深圳市龍崗區內，工程區原狀為三座緊鄰的小(1)型水庫，分別是松子坑水庫、獺湖水庫和三角樓水庫，相互之間僅為山梁分隔。松子坑水庫是東部供水水源工程進入深圳境內的第一座聯網調蓄水庫，也是深圳市水源調蓄體系的主要組成部分。松子坑水庫正常蓄水位及死水位分別為66.00 m和50.00 m，水庫集雨面積4.96 km2，多年平均徑流量為496.0萬m3，興利庫容3303.7萬m3。松子坑水庫擴建工程布置見圖1。

圖1 松子坑水庫擴建工程布置示意圖

2 壩型選定

據地勘資料，壩線所在壩基地層巖性和地質構造較為簡單，除河床段基巖出露外，其余壩段全風化土層較厚，地基承載力小，沉降量大，不適宜選用砼壩、砌石壩等重力式壩，比較適合均質土壩和土石混合壩。從筑壩材料上考慮，料場土料含水量較高，粘粒含量較高，如建成均質土壩，孔隙水消散速度慢，不利于加快施工進度。

從壩線地質條件考慮，不適宜選用碾壓砼重力壩、混合壩壩型；從土料特性考慮，修建均質土壩，不利于加快施工進度。故本設計只選擇粘土斜墻土石壩、粘土心墻土石壩和瀝青砼心墻土石壩三種壩型進行比較。

2.1 初擬壩型

2.1.1 粘土斜墻土石壩

大壩采用粘土斜墻防滲(圖2)，壩頂寬6.0 m，壩頂高程68.00 m，上游壩坡鋪設粘土斜墻防滲，迎水面采用現澆混凝土板護坡，現澆混凝土板厚250 mm，背水坡為草皮護坡。

圖2 粘土斜墻土石壩標準橫斷面圖

壩頂高程68.00 m，最大壩高36.8 m，壩長804 m。壩頂采用預制砼路面，厚120 mm，下設200 mm水泥石粉渣墊層。上游壩坡在48.0 m、58.0 m高程處分別設寬2.0 m馬道，坡比自上而下依次為1∶2.75、1∶3、1∶3.25。下游壩坡自上而下每10 m設一級馬道，馬道寬2 m，壩坡坡比分別為1∶2.5、1∶2.5、1∶2.75。下游壩腳設排水棱體，棱體頂高程42.00 m，內坡比為1∶1.5，外坡比為1∶2.0。

壩頂上游側設置1.2 m高鋼筋砼結構防浪墻，墻頂寬0.5 m；下游側設置排水溝和路緣石，溝頂采用預制砼蓋板。

2.1.2 粘土心墻壩

粘土心墻土石壩(圖3)采用粘土防滲，壩頂寬6.0 m，壩頂高程68.0 m，最大壩高36.8 m，壩長804 m。上、下游壩坡及壩頂結構均與粘土斜墻壩方案相同。防滲心墻頂寬為3.0 m，上游坡比為1∶0.25，下游坡比為1∶0.25。壩頂鋼筋砼防浪墻墻底與粘土心墻可靠連接，防浪墻頂高程69.20 m。心墻底設400 mm厚的混凝土基座。

圖3 粘土心墻土石壩標準橫斷面圖

2.1.3 瀝青混凝土心墻土石壩

瀝青混凝土心墻土石壩(圖4)采用密實瀝青砼作為防滲體，壩頂寬6.0 m。壩頂高程、最大壩高、壩長等均與粘土心墻相同。心墻頂寬0.4 m，底寬0.6 m，心墻上下游均設置寬1.5 m的過渡層，心墻底部以砼基座與地基相接，基座順水流方向長4.0 m，高2.0 m。壩頂結構、上下游壩坡結構形式均同粘土心墻土石壩方案。

圖4 瀝青砼心墻土石壩標準橫斷面圖

2.2 壩型比選

2.2.1 工程地質

由前述可知壩址區均為第四系所覆蓋，河床中的淤泥層、上部軟塑狀的粉質粘土的承載力值低、壓縮變形量偏大。河床中部的碎石土或含碎石粘性土、兩壩肩及右壩基殘丘的殘坡積土的物理力學性質較好。

三種壩型對壩基要求均較低，考慮到防滲要求，粘土心墻、粘土斜墻及瀝青砼心墻均坐落在全風化層或強風化層上，而壩殼部位只需清掉表層的腐植土約2.0 m～5.0 m厚即可，河床段軟弱覆蓋層需進行挖除處理。

2.2.2 筑壩材料

三種壩型均可利用當地材料筑壩，瀝青砼心墻土石壩多用于粘土料缺乏的地區。根據地勘調查成果，庫區料場可用的天然建筑材料數量及質量均滿足設計對三種壩型方案筑壩材料要求。

2.2.3 工程結構比較

粘土心墻、瀝青砼心墻土石壩的心墻垂直防滲體都能較好的適應壩殼的變形，由于心墻位于壩體中間，心墻自重通過本身傳到基礎，受壩殼的影響小，使得心墻與地基接觸面產生較大的接觸應力，有利于心墻與地基的結合，而且壩殼的滲透系數大于心墻的滲透系數，當水庫水位下降時，上游壩殼排水較快，在深厚覆蓋層上建壩，壩殼與心墻沉降較均勻，不會產生水利劈裂，因此運用安全性較高。

粘土斜墻土石壩的浸潤線較低，下游邊坡穩定性好，但是斜墻防滲體對適應壩殼變形的性能較差，壩殼的局部不均勻沉降，可能引起斜墻產生開裂，運用安全性較心墻壩型差。另一方面，由于本工程壩軸線呈折線形，粘土斜墻墻體產生裂縫后，在水壓作用下，裂縫較心墻壩易于修復。

2.2.4 工程施工比較

粘土心墻、瀝青砼心墻與壩殼必須同時施工，施工相互干擾大，工期相對較長。粘土心墻受降雨影響較斜墻壩大，瀝青砼心墻施工時要采用專用機械設備。粘土斜墻與壩殼的上升可以不同步，且斜墻位于上游部位，施工干擾少；受降雨影響較小，壩殼部分在雨季也可以施工，可在壩殼完成后再建土斜墻，利于加快施工進度。

2.2.5 運行管理

粘土斜墻土石壩的防滲體位于上游部位，較心墻壩的心墻易于檢修，心墻檢修條件相對較差，出現滲漏問題不易處理。對于粘土防滲體由于滲流作用存在，一般存在細微顆粒隨滲透水流運動，滲透性能在一定時間內呈現減小趨勢后，呈現逐漸加大的現象，即防滲體老化。

而對于瀝青混凝土心墻，由于石油瀝青材料的優越粘結性能和變形性能，其滲透性能不會出現細骨料移動、流失。且由于心墻兩側土體保護，隔絕陽光、空氣，瀝青混凝土表面老化情況也相當緩慢，因此建成后，基本上不會存在老化，大大減小了運行管理難度。

2.2.6 與已有工程銜接

粘土斜墻壩在中小型土石壩中應用較多，松子坑水庫(一期)中，壩高超過25 m以上的1#壩、10#壩、11#壩等均采用的是當地材料粘土斜墻壩，工程運行10多年來，效果較好。粘土心墻壩取材較方便，在工程中應用較為廣泛。瀝青砼心墻壩，因心墻防滲及變形性能較好，目前國內正處于快速發展和推廣階段。

2.2.7 樞紐工程布置

三種壩型在具體的布置方面基本相似，都需布置泄洪建筑物及導流設施，本工程施工采用隧洞進行導流，工程完工后，隧洞的主要功能是泄洪與輸水。

2.2.8 與片區規劃協調

三種壩型方案，大壩上下游壩坡坡度均相同，壩體外形一致，主要利用當地土料填筑而成，均為當地材料壩，取料場和壩址位置均基本位于規劃的水源保護范圍內，與城區發展規劃和周圍景觀規劃相協調。

2.2.9 投資額度

三種壩型的投資量見表1。

表1 費用比較特性表

2.3 壩型確定

三種壩型在對地質條件的適應、工程布置條件、壩基處理方式等方面基本相當，技術上均可行；在施工條件及檢修方面，心墻壩較斜墻壩方案差；在結構安全性方面，心墻壩較斜墻壩方案優；在工程量及投資上比較，粘土斜墻壩投資最小，粘土心強壩較粘土斜墻壩稍大，瀝青砼心墻土石壩方案投資相對較大；同時借鑒已建松子坑水庫(一期)1#壩、10#壩、11#壩等非均質均為粘土斜墻壩的壩體形式，且多年來運行情況較好，推薦設計主壩壩型采用粘土斜墻土石壩。

3 結語

綜上所述，在水庫改擴建過程中，結合已有工程特性，合理選擇壩型有利于控制工程建設成本，降低施工難度，提高新建壩體的適用性，最終獲得較好的經濟社會效益。松子坑水庫從工程地質、筑壩材料、工程結構、施工運行管理、樞紐布置及與已有工程協調性方面進行綜合比選，可推定粘土斜墻土石壩方案可行性、合理性更適合本工程。