云南省曲靖市阿崗水庫工程設計中壩型選擇探析

李燕

（云南省曲靖市羅平縣水務局，云南 羅平 655800）

0 引言

水庫工程中主要的擋水建筑物是大壩作為水庫工程主要建筑物之一，施工規模大、投資占比大，尤其是現代施工技術的進步、新型筑壩材料的出現，可利用壩型越來越多，給壩型選擇增加了一定的難度。水庫工程設計中，壩型比選屬于重要的決定性工作，通過科學、合理的壩型選擇，可以提高工程經濟性、減小施工難度、保證大壩安全運行，本文主要圍繞以上影響因素展開詳細分析。

1 壩型選擇概述

壩型指的是大壩類型，按不同劃分標準可得到不同大壩類型，如①材料方面，由土石結構作為支撐體的土石壩、由人工材料混凝土等結構，靠自重進行擋水的混凝土重力壩；受力結構方面：拱壩、支墩壩、空腹壩等[1]。②施工方式方面，碾壓式土石壩、碾壓混凝土壩、澆筑混凝土壩等。壩型比選工作，是壩型選擇、確定壩型并論證的過程，是水庫工程設計中的重要工作。

壩型選擇時，首先應選定壩址，選擇參選壩型，確定受力結構分類，并根據具體工程特點，結合壩址、壩軸線和樞紐布置型式等原則統一考慮[2]。壩型比選過程需按照一定階段進行，首先確定基本壩型材料，進行一定工作后，可從基本壩型中選擇采用的壩型，如：在土石壩中選取瀝青混凝土作為防滲結構的瀝青混凝土心墻土石壩；在重力壩中選取施工方式為碾壓式的碾壓混凝土重力壩，之后進行比選分析，確定最終壩型。下文以云南省曲靖市阿崗水庫工程設計中的壩型選擇為例展開具體分析。

2 阿崗水庫工程基本情況

2.1 工程概況

阿崗水庫位于云南省曲靖市羅平縣阿崗鎮境內九龍河上游段的篆長河上，是國務院確定的172 件重大供水工程之一，也是國務院確定的“十三五”期間建設的重點水利工程項目，工程概算總投資225533 萬元，水庫總庫容12993 萬m3，該工程于2016年9 月30 日開工，截至目前還在建設中。

阿崗水庫工程建設任務以供水、灌溉為主，兼顧改善九龍瀑布景觀用水條件、發電等綜合利用。建設工程主要包括樞紐工程和白臘山引水干渠改擴建工程兩部分。水庫樞紐工程建設內容包括主壩、副壩、導流泄洪洞、溢洪道、挖玉沖改河隧洞、輸水發電隧洞、壩后電站和魚類增殖站等主要建筑物。白臘山引水干渠按原渠道工程布置進行局部改擴建，干渠全長約13km。工程建成后，多年平均供水量13703 萬m3，其中城鄉生活及工業供水2622 萬m3、農業灌溉供水10302 萬m3、九龍瀑布景觀補水779 萬m3，設計灌溉面積19.44 萬畝。壩后電站裝機10.5MW，多年平均發電量4131 萬kW·h。

阿崗水庫壩址以上流域面積為1142km2。九龍河全長163km，河道平均比降5.5‰，阿崗水庫以上河長84km，河道平均比降4.1‰。水庫上游有1958 年修建的大（2）型工程獨木水庫，其控制徑流面積為196km2，總庫容1.056 億m3，其實際灌溉面積9.3 萬畝，灌區在水庫下游妥者以上的篆長河流域內。

2.2 工程等別和建筑物級別

阿崗水庫是一座以城鎮及農村生活供水、工業供水、農業灌溉為主，改善九龍瀑布景觀用水條件，并兼顧發電等綜合利用的水利樞紐工程。其總庫容為12993 萬m3，興利庫容為9938 萬m3，壩后電站裝機3×3500kW。

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2000）的規定，阿崗水庫工程規模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，其主要建筑物主壩、副壩、溢洪道、導流泄洪洞及輸水發電隧洞進口為2級建筑物；輸水發電隧洞洞身及出口段為3 級建筑物，挖玉沖改河隧洞為3 級建筑物。主副廠房及尾水渠為3 級建筑物。灌溉渠系建筑物渠道、渡槽、隧洞等為4 級建筑物。

根據《水利水電工程邊坡設計規范》（SL 386—2007）的規定，由建筑物級別及邊坡對建筑物的危害程度，確定主副壩肩部位、溢洪道、泄洪隧洞進出口、輸水發電隧洞進口邊坡級別為2 級，輸水發電隧洞出口邊坡為3 級、挖玉沖改河隧洞進出口邊坡為3級、近壩庫岸邊坡為3 級。表1 為阿崗水庫主要建筑物級別統計表。

表1 阿崗水庫主要建筑物級別統計

3 阿崗水庫工程設計中壩型選擇

3.1 工程選址

3.1.1 主壩壩址選擇

根據可研階段工作成果，下壩址樞紐建筑物工程量比上壩址相對較大，建筑物比上壩址多一座副壩和一條改河隧洞，但下壩址不存在巖溶滲漏問題，兩岸防滲處理工程量較小，工程投資比上壩址少4857 萬元；下壩址正常水位比上壩址低，淹沒處理的費用也較上壩址方案少，淹沒投資少4104 萬元。下壩址建筑工程投資+淹沒投資較上壩址少8961 萬元。

通過對上下壩址的地形地質條件、工程布置、施工條件、環境影響、淹沒處理及工程風險等方面進一步的綜合分析比較，下壩址工程投資比上壩址少，淹沒投資相對較少，不存在運行期水庫滲漏的工程風險，下壩址比上壩址相對優越。因此，推薦下壩址為阿崗水庫的建庫壩址。

3.1.2 下壩址有無副壩方案選擇

可研階段經過經濟比較論證，由于無副壩方案比有副壩方案少了一座副壩和一條改河隧洞，工程投資比有副壩少4303 萬元，但無副壩方案水庫回水會淹沒挖玉沖河兩岸土地及煤窯，淹沒投資比有副壩方案高6105 萬元，總體來說無副壩方案投資要高于有副壩方案1802 萬元（未考慮現已開采煤礦的賠償）。且挖玉沖支流有多座煤礦，河水污染嚴重，水質較差，設置副壩后，挖玉沖河水被擋入改河隧洞流向下游河道，不進入庫區內，可以避免水庫水質受到挖玉沖河水污染。

因此，推薦有副壩方案。

3.1.3 副壩壩址選擇

可研階段對副壩上、下壩址進行了比選。下壩址地質條件稍好，工程量略省，淹沒投資少，建筑工程投資+淹沒投資比上壩址少約554.4 萬元，因此，推薦下壩址作為副壩的壩址。

3.2 壩軸線選擇

3.2.1 主壩壩軸線比選

（1）壩軸線比選布置原則。

①大壩軸線宜采用直線，壩線短、壩體填筑、防滲工程量小，并有利于心墻及樞紐其他建筑物的布置[3]。②大壩布置宜避開不利的地形、地質條件，防滲軸線盡量避開溫泉出露區域，并置于溫泉出露區下游。心墻基礎置于強～弱風化基巖上。

（2）壩軸線比選。

根據壩址的地形條件、工程地質及水文地質條件，擬定了2條壩軸線進行比選。上壩軸線為可研階段壩軸線。河床內存在溫泉點，上壩軸線位置剛好使溫泉點處于上游壩殼范圍內，若壩軸線往上游移動，則溫泉點將會進入心墻區域，不利于工程施工及安全運行，因此，壩軸線不具備向上游移動的條件。為使心墻盡量遠離泉點帶，在布置比較壩軸線時考慮盡量將壩軸線往下游布置，但從地形上看，距離上壩軸線約70m 的右岸發育一條沖溝，再往下游則地形已開闊，尤其是右岸地形坡緩，壩軸線較長，工程投資大，受地形條件限制，下壩軸線布置可選范圍較小，只能在上壩軸線與右岸沖溝之間選擇。因此，綜合考慮，擬定下壩軸線在上壩軸線下游約13m 較為合適。

根據比較，上、下壩軸線相距13m，距離較近，地質條件基本相當。上壩軸線壩體規模較下壩軸線小，上壩軸線壩頂長度為174m 較下壩線短2m，最大壩高上壩軸線61m 較下壩軸線61.5m矮0.5m，大壩工程投資稍低，比下壩軸線低368 萬元，下壩軸線雖防滲心墻位置距離溫泉帶較遠，但上壩軸線也已避開溫泉帶位置，不存在制約因素。

因此，推薦上壩軸線為主壩壩軸線。

3.2.2 副壩壩軸線比選

根據副壩壩址的地形條件，可研階段壩軸線往上游地形逐漸開闊，建壩條件不如可研階段壩軸線位置。可研階段壩軸線向下游30m 為河道轉彎段，覆蓋層變厚，地質條件與布置條件均不如可研階段壩軸線位置。因此，適合布置壩軸線的位置只有可研階段壩軸線與其下游轉彎段之間。本階段初步選定上、下兩條壩軸線進行比較，以期選出較優方案。根據上述分析，擬定上壩軸線為可研階段推薦的壩軸線，下壩軸線布置在上壩軸線下游約15m 處。

經分析比選，上、下壩軸線相距15m，距離較近。上壩軸線往下游左岸逐漸放緩，右岸變陡。上壩軸線左右壩肩部位為陡崖，下伏基巖為凝灰質玄武巖、火山角礫巖、玄武巖，左壩肩基巖呈弱風化巖體，右壩肩稍差為強風化，基巖條件較好；下壩軸線左壩肩同樣基巖出露，右岸地形坡度相對平緩，崩坡積堆積厚度明顯大于上壩軸線，根據勘探資料崩坡積碎石土水平厚度12m，由于下壩軸線右岸位于山脊之上，地形相對較單薄，不利于右岸抗滑穩定，從地形地質條件分析，上壩軸線較優。

受地形地質條件影響，下壩軸線壩頂長度73m，壩高35.25m均大于上壩軸線壩頂長53m，壩高34.65m，工程量也略大于上壩軸線，下壩軸線工程投資較上壩軸線高178 萬元。因此，推薦上壩軸線為副壩壩軸線。

3.3 壩型選擇

3.3.1 主壩壩型選擇

根據下壩址區地形、地質條件及天然建筑材料情況，以及可研階段比選成果，下壩址不適合修建重力壩，合適修建土石壩。

可研階段通過對粘土心墻堆石壩及混凝土面板堆石壩的技術經濟綜合比較，推薦了粘土心墻堆石壩為下壩址代表壩型。本階段考慮防滲土料天然含水率偏高，質量指標不是很理想，就壩體防滲材料而言，選擇了瀝青混凝土心墻堆石壩和粘土心墻堆石壩進行比選。

（1）粘土心墻堆石壩。

壩頂高程1870.5m，河床建基面高程1809.5m，最大壩高61m，壩頂寬8.0m，壩軸線長174.0m。壩體防滲采用粘土心墻，上、下游坡比均為1：0.25，壩體內最大寬度34.00m，心墻建基面高程1809.50m，心墻上游面設置了二層反濾過渡料，一層為砂反濾料，另一層為碎石，兩層反濾料的水平寬度均為1.5m；下游側設置了二層反濾過渡料，水平寬度為2m。

粘土心墻堆石壩大壩建筑工程投資7396 萬元。Ⅱ土料場征地投資及石料場到Ⅱ土料場的臨時施工道路投資共計263 萬元。

（2）瀝青混凝土心墻堆石壩。

壩頂高程1870.5m，河床建基面高程1809.5m，最大壩高61m，壩頂寬8.0m，瀝青混凝土防滲心墻采用階梯式，心墻厚度按1/80 壩高計算，頂寬60cm，以高程1845.5 為界分成2 段，以上寬60cm，以下寬80cm，底部最寬處寬度80cm（不含擴大段）。心墻上、下游各設一層過渡層，上游水平寬度為2m，下游水平寬度4m。心墻底部設1.5m 厚C20 混凝土基座。

瀝青混凝土心墻堆石壩建筑工程投資8060 萬元，不需設置防滲土料場。

（3）壩型選擇。

通過對地形地質條件、工程布置、工程量及投資、施工條件及工期、建筑物材料、環境影響、特殊水文地質條件（溫泉帶）對建壩的影響、檢修條件等方面的綜合分析論證。認為：①兩種壩型的防滲體位置相同，防滲處理量相同，兩種壩型從地質上均可行。②鑒于壩址區地質條件復雜，斷層發育，巖體風化強烈，強風化巖體呈碎裂結構，從適應壩基和壩體的變形能力上分析，粘土心墻相對更合適。③瀝青混凝土心墻屬薄墻結構，變形開裂控制受壩基及壩體的變形影響較大，同時瀝青心墻檢修條件困難，一旦出現變形過大引起開裂，影響防滲效果和壩體穩定，加固處理措施不易實施[4]。④粘土心墻寬度和體積相對較大，適應壩基和壩體的變形能力相對較強，具備檢修條件，加固處理措施容易實施。⑤粘土心墻堆石壩投資比瀝青混凝土心墻堆石壩少約401萬元。經綜合分析，推薦粘土心墻堆石壩為阿崗水庫主壩壩型。

3.3.2 副壩壩型選擇

（1）壩型選擇。

阿崗水庫副壩壩址位于挖玉沖小河下拖白村下游附近的狹口處，距篆長河交匯口約1km，河床狹窄，呈不對稱的“U”形，左岸相對較緩，高程1870m 以下坡度約45°，高程1870～1890m 為陡巖，坡度約70°，高程1790m 以上坡度約30°；右岸相對較陡，高程1875m 以上坡度約60°，高程1875m 以下坡度約50°。副壩壩址河床堆積有第四系沖洪積砂卵礫層，下伏基巖和左岸出露均為強～弱風化火山角礫巖、凝灰質玄武巖，左右岸弱風化層埋深約5～15m，河床部分弱風化層埋深約8～12m，壩址區未見斷層發育，節理裂隙較不發育，巖體較完整，巖質堅硬、強度高，承載力高，壩基滿足壩體承載力要求；除兩岸發育順河方向的卸荷裂隙外，無其他結構面的不利組合，清基處理后壩基抗滑基本穩定；地基承載力能滿足剛性壩基礎承載力的要求，適宜修建剛性壩。壩址區附近石料豐富，初步選定的料場主要巖性為二疊系茅口組弱風化灰巖和白云巖，儲量、質量滿足修建剛性壩的要求。同時，副壩的功能主要是擋水庫水和挖玉沖小河來水，即壩體上下游均為擋水面，經分析，采用剛性壩對壩體穩定相對有利。

可研階段對重力壩及拱壩進行了比選，經綜合比選，兩壩型均可行，不存在制約性因素。但副壩具有兩面擋水功能，受力條件復雜，拱壩結構優勢不明顯，投資也較常規重力壩高，因此推薦重力壩方案。

根據上階段水利部評審意見：“初設階段結合壩后棄渣場布置，進一步研究副壩采用其他壩型的可行性”。由于本階段挖玉沖改河隧洞軸線受煤礦采空區影響，進口調整至副壩下游100m位置，副壩后已不具備堆渣條件，因此副壩已不存在擋渣的工況，但仍存在兩面擋水的情況。綜合考慮，除常規體型重力壩外，結合兩面擋水工況，擬選梯形重力壩進行壩型比選。

根據對常規重力壩及梯形重力壩的分析，從地形地質條件分析，兩壩型均可行，不存在制約性因素。但梯形重力壩體型相對較大，工程量較常規重力壩大，工程投資高于常規重力壩110 萬元。綜合考慮，副壩壩型推薦常規重力壩方案。

（2）壩體材料選擇。

自密實混凝土與常態混凝土相比施工簡單，溫控問題小，因此，副壩筑壩材料擬定自密實混凝土與常態混凝土進行比選，確定合適的壩體材料[5]。由于自密實混凝土單價較常規混凝土低，在工程量相同的條件下，自密實混凝土方案投資較低，比常態混凝土方案低98 萬元，且施工簡單，因此，選定自密實混凝土重力壩為副壩的推薦壩型。

4 結語

綜上所述，水庫工程設計中合理選擇壩型有利于控制工程建設成本，降低施工難度，提高壩體適用性，最終獲得較好的經濟社會效益。在工程實踐中，壩型的合理選擇不僅重要且十分復雜，需分析地質地形成果、筑壩材料、工程規模、投資等影響因素，綜合進行優缺點對比，選擇合理壩型。阿崗水庫工程通過多方面綜合比選，主壩壩型選定為粘土心墻堆石壩，副壩壩型選定為自密實混凝土重力壩，在工程可行性、經濟性、環境影響等方面均有較大優勢。