雙龍水電站大壩壩型設(shè)計(jì)方案比選研究

周曉玉

(凌源市水務(wù)局，遼寧 朝陽(yáng) 122500)

1 工程背景

擬建中的雙龍水電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣太平哨鎮(zhèn)二龍渡村境內(nèi)半拉江干流上，在已建成的高龍泡水電站下游，為典型的河床式水電站[1]。從地形地貌來(lái)看，雙龍水電站屬于遼寧東部的長(zhǎng)白山區(qū)，由于受到半拉江的水流侵蝕作用，壩址區(qū)兩岸群峰聳立、山高谷深，地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜。從地層巖性來(lái)看，壩址區(qū)的基巖埋藏較深，沉積蓋層主要是泥盆紀(jì)、三疊紀(jì)至下第三系地層，主要由海相碳酸鹽和淺海、濱海碎屑巖構(gòu)成。同時(shí)，大壩壩址區(qū)存在厚度較大的砂石料和砂質(zhì)黏土覆蓋層。特別是靠近河床部位，其覆蓋層平均厚度為7.3 m，最大厚度達(dá)到14.8 m。由于項(xiàng)目所在地的砂、石料相對(duì)比較豐富，并沒(méi)有適合做防滲材料的黏土，因此，擬在人工材料壩型(瀝青混凝土心墻堆石壩)與當(dāng)?shù)夭牧蠅涡?混凝土面板堆石壩和混凝土重力壩)等兩種壩型中進(jìn)行比選，以獲取最佳壩型[2]。

2 地質(zhì)條件對(duì)比分析

對(duì)擬建的兩種壩型的地質(zhì)條件適配性進(jìn)行對(duì)比和分析，結(jié)果如表1所示。由表中的結(jié)果可以看出，混凝土面板堆石壩與瀝青混凝土心墻壩比較接近，與混凝土重力壩互有優(yōu)劣，但是都具備設(shè)計(jì)建設(shè)的基本條件，并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，因此，需要通過(guò)設(shè)計(jì)比較判定。

表1 地質(zhì)條件分析對(duì)比

3 壩型布置與投資對(duì)比

3.1 超高計(jì)算

在各壩型的超高計(jì)算中，利用壩址區(qū)氣象站提供的45 a風(fēng)速資料，取每年7—10月的最大風(fēng)速進(jìn)行分析[3]，組合各風(fēng)向的吹程、水位數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同壩型的壩頂高程[4]。計(jì)算結(jié)果如表2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚膲雾敻叱?73.92 m、混凝土重力壩的壩頂高程172.80 m進(jìn)行大壩的初步設(shè)計(jì)和工程量的計(jì)算。

表2 大壩超高計(jì)算結(jié)果 m

3.2 壩型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合上文的壩頂高程計(jì)算結(jié)果和壩址區(qū)的實(shí)際地形圖，考慮施工交通的實(shí)際需求，對(duì)各壩型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步布置，結(jié)果如下：

(1)瀝青混凝土心墻壩。該壩型的壩長(zhǎng)為425.30 m，壩頂高程為173.92 m，壩頂寬5.5 m，大壩上游和下游的邊坡坡比均為1∶1.8。壩體內(nèi)部設(shè)置瀝青混凝土心墻，其頂寬和底寬分別為0.6 m和0.8 m，兩側(cè)布置砂礫石過(guò)渡帶，寬度為2.0 m。在壩基部位需要設(shè)置混凝土防滲墻和帷幕灌漿[5]。其中，防滲墻要深入基巖1.5 m[6]。

(2)混凝土面板堆石壩。該壩型的壩長(zhǎng)為425.30 m，壩頂高程為173.92 m，壩頂寬5.5 m，上游坡面的坡比為1∶1.6，下游坡面的坡比為1∶1.5。在壩體的堆石區(qū)上游部位設(shè)置墊層和反過(guò)濾層，寬度為2.0 m，大壩的上游面設(shè)置混凝土防滲面板，其頂部和底部的厚度分別為0.3 m和0.5 m。大壩的下游坡面為干砌石護(hù)坡，厚度為0.5 m，趾板長(zhǎng) 4.0 m，在其上部設(shè)置風(fēng)化料蓋重，下設(shè)帷幕灌漿[7]。在下游的壩腳部位設(shè)置頂寬4.0 m，坡度1∶1.5的濾水壩趾。

(3)混凝土重力壩。混凝土重力壩的壩長(zhǎng)為421.0 m，壩頂高程為172.80 m，壩頂寬為5.5 m。在該壩型設(shè)計(jì)下，大壩上游的壩殼采用豎直布置方式，下游壩殼采用1∶0.7的坡比，壩殼的厚度為2.0 m，斜坡段的高程為165.50 m。重力壩壩型對(duì)壩基條件要求較高，需要深入基巖弱風(fēng)化層2.0 m，對(duì)破碎帶和風(fēng)化層實(shí)施固結(jié)灌漿。灌漿孔的孔距和排距均為3.0 m，灌漿孔為矩形陣列布置方式，設(shè)計(jì)灌漿深度為8.0 m。壩殼混凝土中要設(shè)置表面鋼筋，以提高其強(qiáng)度，在壩殼內(nèi)填筑常態(tài)混凝土。在重力壩和溢洪道之間距離上游壩殼表面30 cm部位設(shè)置紫銅止水[8]。

3.3 壩型投資計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上文不同壩型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)比選壩型的投資進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果如表3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，由于壩址區(qū)的河床覆蓋層較厚，而混凝土重力壩對(duì)壩基地質(zhì)條件的要求較高，因此，需要較大的開(kāi)挖量，在壩頂高程比較接近的情況下，最大壩高會(huì)大很多，因此，混凝土用量明顯偏大。同時(shí)，由于項(xiàng)目所在地比較偏遠(yuǎn)，當(dāng)?shù)夭](méi)有大的水泥廠，所有的人工和材料均需要通過(guò)外購(gòu)解決，因此，單價(jià)明顯偏高。受上述兩個(gè)原因的影響，混凝土重力壩的投資明顯高于其余兩個(gè)壩型。對(duì)于瀝青混凝土心墻堆石壩和混凝土面板堆石壩而言，由于面板混凝土造價(jià)較高，混凝土面板堆石壩的造價(jià)高了約1022萬(wàn)元。因此，從工程的經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，應(yīng)該選擇瀝青混凝土心墻堆石壩壩型。

表3 不同壩型投資統(tǒng)計(jì)結(jié)果 萬(wàn)元

3.4 施工導(dǎo)流方案評(píng)價(jià)

不同壩型的施工導(dǎo)流方案不同，也是影響壩型選擇的重要因素。針對(duì)工程實(shí)際和備選壩型，導(dǎo)流方案主要由以下三種：

一是混凝土重力壩配合導(dǎo)流隧洞導(dǎo)流，需要新建導(dǎo)流洞，洞徑為5.0 m，洞長(zhǎng)500 m，最大泄流量276.54 m3/s。二是適合混凝土面板堆石壩的溢洪道砍平頭導(dǎo)流方案，凈寬為34.0 m，最大泄流量為456.43 m3/s。三是配合瀝青混凝土心墻堆石壩的分期溢洪道砍平頭導(dǎo)流方案，其中，一期需要在河床灘地修建導(dǎo)流明渠，二期利用圍堰封閉導(dǎo)流明渠。顯然，導(dǎo)流方式應(yīng)該以簡(jiǎn)潔、方便施工、成本低為主要目標(biāo)。考慮無(wú)論采取何種施工導(dǎo)流方式，均需要在導(dǎo)流建筑物完全建成后才能進(jìn)行下一步施工。因此，綜合各方面的影響因素，認(rèn)為瀝青混凝土心墻堆石壩配合分期溢洪道砍平頭的導(dǎo)流方案最為合理，不僅施工方便，投資成本相對(duì)較低，同時(shí)也有利于節(jié)約工期，為最佳設(shè)計(jì)方案。

4 壩型比選結(jié)果

綜合地質(zhì)條件、投資成本以及施工導(dǎo)流等不同視角的對(duì)比分析，認(rèn)為瀝青混凝土心墻堆石壩具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)：第一，采用該壩型時(shí)瀝青混凝土心墻和壩基、岸坡的連接比較容易，易于提高心墻施工質(zhì)量。第二，壩體沉降變形對(duì)瀝青混凝土心墻的影響相對(duì)較小，可以保證心墻的安全性和穩(wěn)定性。第三，瀝青混凝土心墻位于壩體內(nèi)部，受外界氣候因素的影響較小，在建成之后受凍融、風(fēng)浪、溫度變化等因素的影響不大；第四，瀝青混凝土心墻堆石壩的施工工藝比較簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量也更容易得到保證。基于此，建議雙龍水電站大壩采用瀝青混凝土心墻壩壩型設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

此次研究針對(duì)遼寧省新建的雙龍水電站，通過(guò)地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、投資水平和導(dǎo)流方案等因素的對(duì)比分析，提出了壩型選擇的一般分析過(guò)程，最終確定采用瀝青混凝土心墻堆石壩壩型設(shè)計(jì)。研究成果可為具有類似的氣候、地質(zhì)條件的水利工程壩型設(shè)計(jì)提供有益的經(jīng)驗(yàn)借鑒。在后續(xù)的研究中，還需要對(duì)選定的壩型進(jìn)行必要的計(jì)算復(fù)核，特別是進(jìn)行壩體結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算，以驗(yàn)證壩型設(shè)計(jì)的可行性與有效性。