關坎腳水庫大壩壩型設計方案分析

徐秋實

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程地理位置概況

關坎腳水庫灌區工程位于湄潭縣北部的洗馬鄉雙河村境內，地處長江流域烏江水系湄江支流清江上游，水庫壩址距湄潭縣城39 km，距洗馬集鎮13 km，其中有3 km鄉村公路通至壩址下游約0.3 km處，交通較為方便。

2 大壩壩址、壩縣以及壩型

在進行水工設計的過程中，壩型的合理選擇不僅非常重要[1-2]，且十分復雜，它所涉及到的不僅僅是技術也包括經濟[3-4]。一般來講，對于一個壩址而言，可供選擇的方案通常有兩個，每個方案的優勢與缺點都不同，這就讓決策者感到十分困難[5]。特別是在當今施工技術不斷發展中，壩型選擇的種類也開始日益增多，這樣的情況就進一步增加了其選擇的難度。

(1)壩址選擇。關坎腳水庫規劃壩址位于洗馬鄉境內清江上游，秦家寨至魚泉灣之間長約0.50 km的河段上，根據該河段沿線地形地質條件，通過對上、下壩址的地形地質條件、施工條件、水庫淹沒、水資源利用、工程布置及投資效益等方面綜合比較，選擇下壩址作為關坎腳水庫灌區工程的推薦壩址。

(2)壩線選擇壩址區上、下游均有沖溝切割，在壩址所在地地形條件所產生的約束作用下，壩址可選擇的壩線沒有很大余地進行上下移動，壩線位置的選擇也十分單一，即位于現勘探線附近，該壩線經處理有建重力壩、面板堆石壩的地形地質條件。

(3)壩型選擇由于壩址區出露基巖為寒武系中上統婁山關群第二段至第三段(∈2-3ls2～∈2-3ls3)地層，河床及左、右岸坡大部分為灰、深灰色以中厚層為主夾薄層白云巖與白云質灰巖，灰色以薄層為主夾中厚層白云巖，局部夾泥質白云巖。綜上所述，本工程重力壩方案選用三級配C15碾壓混凝土為筑壩材料。混凝土面板堆石壩方案中各樞紐建筑物布置相對較分散，壩體材料可充分利用當地豐富的天然筑壩材料，施工工藝簡單，便于機械化作業，壩體填筑不受氣候條件限制。

3 樞紐布置方案比較

根據前述壩線選擇以及壩型選擇，最終確定了兩組方案，其一是碾壓混凝土形式的重力壩，其二是混凝土面板形式的堆石壩，施工中，將這兩組方案進行同精度設計，從樞紐布置、施工組織設計、工程投資等多方面對兩種壩型樞紐布置建筑物進行綜合比較，按安全、經濟的原則確定推薦壩型樞紐布置方案。

3.1 混凝土面板堆石壩樞紐方案

該方案樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道及右岸取水兼放空隧洞等組成。混凝土面板堆石壩方案樞紐布置及大壩剖面見圖1、圖2。由于篇幅限制，這里只介紹主要的擋水建筑物。該壩型為混凝土面板堆石壩，河床段大壩面板趾板底高程927.00 m，最大壩高50.0 m，壩軸線長175.00 m，壩頂高程977.00 m，壩頂寬7.5 m，防浪墻墻高3.00 m。上游壩面壩坡1∶1.4，下游壩面綜合壩坡1∶1.5。壩底最大厚度149.16 m，上游混凝土防滲面板厚0.4 m，面板下端與趾板相接，趾板寬5.0 m～4.0 m，置于強風化層中下部至弱風化層上部巖基上。面板下部為C5擠壓砼邊墻，綜合厚度約0.25 m。擠壓砼后設水平寬3.0 m的墊層，墊層后設水平寬4.0 m的過渡層，過渡層后為主堆石區，下游為次堆石區，下游壩面為干砌塊石護面。

面板和趾板采用C25砼，設單層雙向鋼筋，趾板基礎設Φ25錨筋與基巖連接，錨筋根長4.5 m，間距1.5 m，排距2.0 m。

圖1 面板堆石壩方案樞紐布置圖

3.2 碾壓混凝土重力壩主要樞紐方案

在水庫大壩中，樞紐建筑物主要有碾壓混凝土形式的重力壩、設置在壩頂位置的溢洪道、放空和沖沙孔及取水孔等。重力壩方案樞紐布置及大壩剖面見圖3、圖4。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高50.5 m，壩頂高程976.50 m，壩軸線長181.0 m，壩頂寬7.5 m，上游壩面940.00高程以上鉛直，940.00 m高程以下壩坡比1∶0.2，下游壩坡比1∶0.8，最大壩底厚45.1 m；壩體主要建筑材料采用三級配90天齡期C15碾壓混凝土，設計容重r=24 kN/m3；上游壩面防滲混凝土分兩層，迎水面采用二級配90天齡期厚0.5 m C15形式的變態混凝土來加以保護，其抗滲等級設置為W6，用齡期為90天、通過C15型富膠凝材料進行碾壓的二級配混凝土進行內側施工，其抗滲等級設置為W6；大壩基礎設置二級配90天齡期抗滲等級W6的C15常態混凝土墊層，兩壩肩設置二級配90天齡期C15變態混凝土墊層厚1.0 m，下游壩面采用三級配90天齡期厚0.5 m C15變態混凝土護面。壩內設灌漿排水廊道，廊道斷面尺寸：2.5 m×3.0 m(寬×高)，廊道進口高程為939.00 m，底部高程936.00 m。溢洪道布置于大壩壩頂中部，為開敞式設閘溢洪道，溢流堰頂高程970.00 m，溢流凈寬15 m，堰頂設3扇5.0 m×5.4 m的平板工作門，采用柱塞式液壓式啟閉機啟閉。溢流堰型采用WES實用堰，溢洪道閘墩長7.0 m，其上布置3.5 m寬交通橋連接左右非溢流壩段。尾部采用挑流消能，挑流反弧半徑12.0 m，挑射角18.14°，鼻坎高程942.00 m。為防止小頻率小流量洪水跌落沖刷下游壩腳及下游岸坡，在下游壩腳后設20 m長、1.5 m厚的“一”型短護坦。

圖2 面板堆石壩壩體剖面圖

圖3 重力壩方案樞紐布置圖

圖4 重力壩剖面圖

3.3 樞紐布置方案比較

在通過混凝土面板形式堆石壩和碾壓混凝土形式重力壩這兩組樞紐方案所應用的灌區中，其渠系的布置與庫區有著基本相同的淹沒指標，其主要的投資部分包括泄水型建筑物、擋水型建筑物、取水型建筑物、金屬構件和臨時工程等的這些方面。本次選擇的兩種壩型樞紐方案比較見表1。

表1 壩型樞紐方案特性比較表

續表1

通過上述兩種壩型的樞紐方案的技術經濟綜合比較分析，兩種樞紐方案都有著各自的優勢與劣勢，面板堆石形式的大壩對于地基條件沒有過高要求，基礎處理時的工程量不大，可以將當地的天然建筑材料以及工程開挖中的部分廢棄石渣加以充分利用，施工場地的面積很大，工藝也十分簡單，更加有利于機械施工，且氣候因素不會對壩體填筑造成限制。但是該方案需要在岸邊進行溢洪道的設置，取水和放空隧洞都很長，且在主體、邊坡治理以及臨時工程中都需要花費很大的工程量，通過對比可知，相比較碾壓混凝土形式的重力壩而言，這種方案的投資會多出586.45萬元。碾壓混凝土形式的重力壩布置十分緊湊，其溢洪道布設在大壩中部，放空和沖沙底孔設置在其左段，這樣便實現了溢洪道開挖量的減少，放空和放水道的實際建筑長度也由此縮短，雖然其基礎工程有著比較大的施工量，但因本工程壩體不高，對基礎處理工作量難度不大。故從樞紐總體布置合理、工程總投資相對較省、施工技術成熟等方面綜合考慮后，推薦碾壓混凝土重力壩樞紐布置方案作為優選方案。

4 結語

為確保貴州省湄潭縣關坎腳水庫工程設計方案能夠與工程實際更匹配，通過對壩址、壩型以及樞紐布置進行論證和對比分析，得出以下主要結論：

(1)根據該河段沿線地形地質條件，通過對上、下壩址的地形地質條件、施工條件、水庫淹沒、水資源利用、工程布置及投資效益等方面綜合比較，選擇下壩址作為關坎腳水庫灌區工程的推薦壩址。

(2)綜合考慮水庫的實際規模、大壩實際高度以及各個樞紐建筑的具體布設和施工條件，并結合當地的建材等各項因素，最終選擇了更加符合重力壩和面板堆石壩的兩條壩線;可選擇的壩型主要有重力壩和混凝土面板堆石壩。

(3)通過上述兩種壩型的樞紐方案的技術經濟綜合比較分析，得出碾壓混凝土重力壩樞紐布置方案工程實際更匹配。