平原圍壩水庫庫盆開挖型式分析比較研究

孫志鋒，顧嵋杰

（1.新疆自治區阿克蘇地區溫宿縣水利局,新疆 溫宿 453000； 2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 引言

近些年來,在西北地區由于適合建設攔河水庫條件的地方越來越少,而水資源短缺與時空分布不均依然存在,因此當地的水資源規劃越來越重視平原水庫的調蓄作用[1-4]。在此背景下,新疆阿克蘇地區溫宿縣臺蘭河洼地水庫作為平原調蓄工程被列入《新疆“十三五”水利改革發展規劃》中,同時也進入到全國大中型水庫規劃序列中,是自治區列入的25座大中型水庫之一[5-6],旨在解決當地水資源分布不均的問題。

平原水庫相較于傳統的攔河水庫相比,無天然蓄水庫容,兩岸亦無可利用的擋水山體,需要下挖庫盆,三面或者四面圍壩擋水,因此具有壩線長,壩高低,蓄水面積大的特點。

1 工程概況

洼地水庫位于阿克蘇地區溫宿縣臺蘭河流域中上游,是一座以灌溉、工業供水為主,兼顧向臺蘭河地下水庫補水的綜合性水利工程,也是目前新疆最大的引水注入式四面圍壩平原水庫工程。水庫總庫容5582 萬m3,Ⅲ等中型工程。工程修建于臺蘭河出山口山前傾斜戈壁灘平原之上,采用四面堆填圍壩而成,最大壩高28.72 m。水庫采用全庫盆鋪塑防滲,防滲體選用復合土工膜（400 g/0.8 mm/400 g）,設計死水位1500.60 m,正常蓄水位1518.00 m,校核水位1518.20 m,正常蓄水位對應水面面積260 萬m2[7]。

水庫南側大壩高度較大且集中,在此段大壩外側設置堆渣平臺,用于堆放水庫開挖多余棄料,同時也可作為壩體壓重平臺,保證壩體結構安全。平臺寬度150 m~200 m之間,平均高度20 m。

圖1 水庫平面布置圖

2 庫盆開挖方案

由于水庫修建于山前傾斜平原之上,無可利用天然湖泊、洼地等天然蓄水庫容,需要對現狀灘地進行下挖上填,通過下挖灘地,利用開挖料在水庫四周堆填圍壩,形成一個閉合的圍壩蓄水水庫。不同庫盆開挖型式對水庫壩高、工程量、土方調配運距、土石方平衡以及工程投資影響重大,甚至會影響壩高規模,因此,選擇合理的庫盆開挖型式是平原水庫庫盆設計的重點內容。

在同等庫容條件下,分別從最大壩高、最低壩高及推薦壩高方面考慮,借助Civil3 D軟件不斷反復試算設計庫底型式、高程,最終擬定3 種方案。各方案庫底均位于開挖基礎上,無回填區域。

方案一（圖2）：結合現狀地形,庫底為水平段（300 m）-斜坡段（550 m）-水平段型式。起始水平段長度300 m,控制水平開挖底高程1500.0 m。斜坡段長度550 m,起點開挖底高程1500.0 m,終點高程1490.80 m,斜坡段坡比1∶67.1；末端水平段控制底高程1490.80 m,終點接下游壩體內坡腳線,最大長度405 m。

圖2 方案一庫盆開挖型式（橫向1:1000/縱向1:100）

方案二（圖3）：庫底為水平型式。庫盆為水平庫底,控制水平開挖底高程1490.80 m,防滲體土工膜高程1491.00 m,同建基面高程。

圖3 方案二庫盆開挖型式

方案三（圖4）：庫底為水平段（300 m）-斜坡段（350 m）-水平段型式。起始水平段長度300 m,控制水平開挖底高程1495.80 m。斜坡段長度350 m,起點開挖底高程1495.80 m,終點高程1490.80 m,斜坡段坡比1∶70；末端水平段控制底高程1490.80 m,終點接下游壩體內坡腳線,最大長度553 m。

圖4 方案三 庫盆開挖型式

3 庫盆方案比較

3.1 壩高

方案一庫盆下挖土方量最小,主要靠圍壩蓄水庫容,因此壩高最大,經分析最大壩高31.67 m。方案二采用水平庫底開挖型式,并且建基面同防滲體高程,下挖庫容大,所需堆壩庫容最小,因此壩高最低,此方案最大壩高26.36 m。方案三介于方案一和方案二之間,最大壩高28.72 m。

3.2 土方工程量及投資

方案一在設計過程中遵循以開挖量定壩高的原則,因此基本可實現土方平衡,土方開挖量1152.89 萬m3,填筑量978.00萬m3,投資3.59 億元。

方案二遵循最小壩高的原則,因此土方開挖量最大,棄方最多。土方開挖量2310.13 萬m3,填筑量611.49 萬m3,投資4.78 億元,較方案一高出1.19 億元。

方案三在前2 個方案的基礎上,對庫盆開挖型式進行優化,通過調整庫盆型式,確保壩高不超過中壩（30 m）高度,同時兼顧土石方平衡,投資省的原則。最終方開挖量1789.8 萬m3,填筑量757.93 萬m3,投資4.21 億元,較方案二節省0.57 億元。

3.3 土方調配

不同庫底開挖型式將導致開挖土方量空間分布不均,根據壩體所利用回填料數量、堆渣平臺位置及調配方向,庫底開挖應滿足“高料高用、低料低用、運距最短、成本最低”原則。水庫下游段（南側）壩高最大,所需的填方料最多,且渣場設在壩體外側。

方案一、方案三庫底型式采用水平、斜坡、水平的臺階開挖型式,結合地形變化,做到上游少挖,下游多挖目的。從而使得開挖料利用料、棄方料綜合距離下游側最近,綜合運距最短,成本最低。

方案二采用水平庫底,導致大部分土方量集中在水庫北側（上游）段,而上游段壩高低,所需填方料少,主要開挖料將運輸至下游壩體及渣場,綜合運距長,成本高。

3.4 庫底附加應力

庫底上下游開挖深度相差不宜過大,避免由于庫底開挖卸荷深度不同而造成基底附加應力相差較大,防止后期水庫蓄水后庫底發生不均勻沉降變形。

方案一上下游最大挖深差7.10 m,方案二最大挖深差18.10 m,方案三最大挖深差12.10 m。方案二上下游挖深差最大,庫盆基地附加應力差也最大,其次是方案三。

各庫盆方案綜合對比見表1。

表1 各庫盆方案綜合對比表

4 庫盆型式確定

洼地水庫采用全庫盆鋪塑防滲,防滲材料選用復合土工膜。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2020）規定,土工膜防滲體壩仍處于發展階段,還未形成成熟的設計施工技術體系,規定用于3 級低壩以下規模[8]。方案一壩高超過30 m,屬于中壩,因此從土工膜適用條件考慮,不適合土工膜防滲體水庫設計。方案二壩高最低,但土方量量、工程投資、土方調配運距最大,經濟不合理,且蓄水后庫盆基底附加應力差也最大,容易引起庫底不均勻沉降。方案三綜合方案一、方案二的特點,庫底遵循現狀地形走勢布置,上下游挖填深度合理,壩高符合土工膜防滲體低壩要求,經濟合理,技術可行,因此庫盆設計最終選用方案三。

圖5 庫盆效果圖

5 結語

1）庫盆開挖方案的確定應因地制宜,結合現狀地面走勢布置,對于傾斜地形不宜做成水平庫底,避免由于庫底開挖卸荷深度不同而造成基底附加應力相差較大,防止后期水庫蓄水后庫底發生不均勻沉降變形。

2）庫盆型式的確定是平原水庫設計的重點,它對圍壩壩高、工程投資有著至關重要的影響,因此在水庫設計中應進行多方案論證比選,最終確定經濟合理,技術可行的方案,可為工程設計提供依據。