水庫壩軸線及壩型選擇研究
——以石洞水庫工程為例

姚小星

(峽江縣河庫建設養護中心， 江西 吉安 331409)

我國盡管水資源豐富，但對水資源的需求也同樣很大，是世界上貧水國家之一，因此長期以來我國通過水庫大壩建設來提高水資源的利用率，對水資源進行優化配置，加強對水資源的開發與利用。水庫建設是我國在利用與配置水資源規劃中的重要建設內容，其中最關鍵的環節在于壩軸線和壩型的選擇，這也是影響后續施工和投資的關鍵因素，因此需要在工程規劃時進行科學的壩軸線比選和壩型確定。

1 工程概況

1.1 工程概述

石洞水庫位于江西省峽江縣羅田鎮石洞村，壩址坐落在羅田鎮以西約7 km的黃金江支流，是一座主要用于灌溉的中型水庫，建成后能夠滿足流域下游共計2286 hm2農田灌溉需求，總控制流域面積達到34.7 km2，總庫容為1165萬m3。

1.2 地質條件

工程建設區域的地質構造系相對較為穩定，工程區的地震動峰值加速度為0.05 g，擁有較好的區域穩定性，庫區所處地形為低山丘陵及河谷，多見陡峭岸坡和裸露的基巖。但水庫周圍有高且雄厚的分水嶺，沒有通向庫外的明顯斷層，水庫建成后沒有永久性滲漏問題。壩區地層無較大斷層分布，兩岸岸坡較穩定，巖石左右岸都受到風化作用的強烈影響。

1.3 水文條件

石洞水庫的壩址位于黃金江石溪水支流，流域面積56.5 km2，河長22 km，流域內多年平均降水量約在1578 mm，多年平均氣溫18 ℃，平均蒸發量1050 mm，平均相對濕度82%，年平均水溫20 ℃。按照水庫使用50 a期計算，此處壩址的淤積量相應庫容約為15.9萬m3。以鄰近的神山水文站為參照，可計算出壩址多年平均徑流速為1.015 m3/s，多年平均徑流量為3203萬m3。

2 壩軸線比選

2.1 上、下壩線工程地質條件比較

研究本工程上下壩線所處地質條件時選用下壩址(丁家村壩址)的開發方案，壩址適宜建造的水壩類型為土石壩或堆石壩，左岸可供壩線選擇的范圍約為240 cm，右岸僅有50～70 cm。將上、下兩處壩線的工程各項地質條件進行對比后得出見表1。

表1 上、下壩線工程地質條件比較情況

根據表1 內容可以算出，上、下兩壩線沿河相距約為280 m，壩頂高程132 m，左岸壩端相距165 m，右岸31 m。在工程實地考察中，河流的上壩線主要位于左岸，下壩線主要位于右岸，就兩岸的地形來看，右岸的上壩線地勢更緩和，左岸的上壩線相對陡峭。在河谷區域，上壩線寬為138～211 m,下壩線寬約80～140 m。根據地形地質條件來看，下壩線優勢更大。

2.2 壩軸線比選主要工程地質問題與評價

在分析上、下壩線的地質地形條件后，發現此處壩體壩型較長，最適宜修建的水壩類型為土石壩。本工程壩體較高，將強風化帶的中下部用作建基面使用，心墻部分的壩基不僅要清除透水能力中等的第四系覆蓋層，還要清除中上部的強風化帶巖體，從而提高壩基的建設質量。

2.3 上壩線工程布置方案

石洞水庫上壩線的蓄水位需要建設到130.2 m才能滿足水庫的灌溉用水需要，適應當地地形條件，其樞紐建筑物主要由黏土心墻土石壩、溢洪道、引水建筑物和渠首建筑物組成。上壩線的工程總布置中，壩軸線長約405.5 m，壩頂高程約133.2 m，防浪墻頂高程約為134.4 m，最大壩高為49.2 m。

溢洪道進口位于距右壩肩上游約145 m的埡口處并順沖溝展布，溢流凈寬35 m，為無閘控制實用堰，堰頂高程129.0 m，總長344.9 m；引水建筑物布置于右岸山體中，明渠進水口位于大壩上游260 m處山坳，隧洞進口位于右壩肩上游約105 m處的山坡處，出口位于下游山坡腳接灌溉渠首水池，全長363 m，其中隧洞段長194.7 m，為圓形有壓隧洞，洞徑1.8 m。

2.4 下壩線工程布置方案

下壩線主要位于水壩右岸，正常蓄水位建設至129 m即可滿足灌溉需求，其樞紐建筑物主要由黏土心墻土石壩、溢洪道、引水建筑物和渠首建筑物組成?？偛贾玫膲屋S線長395.0 m，壩頂高程為132.0 m，防浪墻頂高程約為133.2 m，最大壩高為51.4 m。其余工程布置內容如溢洪道進口、明渠進水口等，包括引水建筑物布置等皆與上壩線一致。

2.5 壩線比較與選擇

通過對上、下壩線的工程布置方案進行分析后發現，除大壩本體外其余建筑物和工程項目的布置基本相同，因此僅對大壩的投資做比較，判斷其資金投入，具體項目有土方與石方的開挖施工、石碴混合料的開挖、砂礫石過濾、心墻填筑、混凝土施工等，上壩線總工程直接費7419.21萬元，下壩線總工程直接費5851.66萬元，而壩線直接費差值為1567.55萬元。

在地形地質方面，兩壩線的地層巖性和地質構造基本一致，均具備建庫條件，但從地形角度來看下壩線的走勢優于上壩線，受到的風化影響弱于上壩線。從水庫規模來看，若要上壩線滿足灌溉需求則要將正常蓄水位提高至130.2 m，此時淹沒線也會一并升高，淹沒范圍擴大，工程建設難度將會直線上升，下壩線則沒有這一問題。就表2對比結果顯示，下壩線的投資明顯少于上壩線。因此綜合比較過后，上壩線最大壩高較下壩線小，但壩軸線長、最大壩高壩段長，下壩線最大壩高較高，但壩軸線短，最大壩高壩段短，工程投資總體下壩線較上壩線小，且下壩線淹沒范圍控制在峽江縣境內，而上壩線涉及吉水縣新陂村。故本次推薦下壩線為工程建設壩線[1]。

3 壩型比選

3.1 壩型設計

壩址位于峽谷出口下游，河流流向呈 NW-SE-NEE 向，近似傾斜“L” 形，河谷呈不對稱的梯形，壩軸線上、下游附近兩岸均為較開闊的灘地。根據壩址區地形條件，選擇混凝土面板堆石壩和黏土心墻壩兩種壩型進行比較，實地建設形態的比較如表2所示。

表2 兩種壩型設計比較情況

混凝土面板堆石壩趾板建基面為弱風化層上部，利用趾板作壓漿板，對其下基巖進行固結灌漿和帷幕灌漿處理，對張開節理裂隙應逐條開挖清理，并用C20混凝土封堵。趾板下游0.5倍壩高范圍內坐落在全風化基巖中下部，其余壩基坐落在全風化基巖上。趾板基礎固結灌漿3排，深5 m；帷幕灌漿1排，結合中間排固結灌漿孔實施，孔距2.0 m，深入相對不透水層5.0 m。

黏土心墻壩的黏土心墻和過渡反濾層開挖至強風化層中、下部。其余壩基部分建基面清除表部0.6～1.2 m的根植土層。心墻底部設壓漿板對壩基進行帷幕灌漿，單排孔，孔距2.0 m，深入相對不透水層5.0 m。

3.2 壩型比較與選擇

混凝土面板堆石壩和黏土心墻壩都是已經在許多工程中有成功應用的壩型，在我國的水庫工程建設也已經較為成熟，設計理念和施工手段都已經相對完善，因此二者之間的施工難度和設計復雜性差異性問題暫時忽略不計，且兩種壩型的溢洪和引水建筑物設置基本一致，因此從以下幾個方面來比較兩種壩型在石洞水庫中的適用性[2]。

在地形地質條件方面，壩址中的河谷橫切面也不對稱的梯形，若選用堆石壩則要求上游趾板處地形基本對稱，因此河谷地形對兩種壩型都不造成實際影響。

在建筑材料方面，心墻壩使用的防滲土料需要由料場開采獲取，上、下游壩體的填筑料可以利用樞紐建筑物施工中產生的開挖料。同時壩址附近有大量自然形成的風化碴料可以使用，壩體總土石方利用量超過40萬m3。若選擇堆石壩，樞紐建筑物的開挖料則不能用作填筑料，附近的風化巖碴料的成材率過低，對工程沒有實際意義，總利用堆石料約9000 m3，且其中大量筑壩材料需要從料場開采運輸。從建筑材料角度來看心墻壩的施工條件優于堆石壩[3]。

從工程建設條件來看，心墻壩中開挖的材料可以直接用作壩體填筑，且壩體斷面小，整體工程量小于堆石壩。但就施工度汛條件來看，面板壩方案和心墻壩方案的施工總工期同為兩年，壩體均需在第二年汛前搶筑至度汛高程。心墻壩汛期不允許壩體過流，而面板壩在進行保護后，可以允許汛期從壩體過流，若施工工期滯后或遭遇超標準從工程投資角度來看，洪水對面板壩的影響較小。因此若考慮到施工度汛的風險性則面板壩較優[4]。

心墻壩的實際建設工程項目與面板壩有較大差異，若從壩體填筑工程量來看則心墻壩工程量更大，但土石方開挖、混凝土、鋼筋、固結灌漿和帷幕灌漿工程量都少于面板堆石壩。二者的工程項目、具體工程量、工程投資金額差異見表3。由表3可知，兩種地形投資相差2120.11萬元。

綜合壩址地形地質、工程建設條件、天然材料源、工程量與工程投資成本來看，本階段確定黏土心墻壩為基本壩型。

3.3 壩基處理

壩基河床部位和河谷上部有3～5 m低液限黏土和砂卵石夾孤石覆蓋層，其下為深厚的強風化石英片巖夾石英巖。黏土心墻和過渡反濾層開挖至強風化層中、下部，上、下游邊坡1∶1.5。其余壩基部分建基面清除表部0.6～1.2 m的根植土層。壩基層面裂隙等較發育。心墻部位開挖后的基巖面用風水槍沖洗干凈，對張開節理裂隙應逐條開挖清理，并用C20混凝土封堵，基巖表面現澆0.30 m厚混凝土。黏土心墻底部設混凝土壓漿板對下部巖體進行帷幕灌漿防滲。壓漿板寬5.0 m，厚1.0 m。帷幕防滲標準按基巖透水率q≤10 Lu控制，帷幕底線深入相對不透水巖體頂板以下不小于5.0 m，兩岸至水庫正常蓄水位與相對不透水層在兩岸的相交處。

表3 大壩主要相異項目工程量和工程投資比較情況

3.4 護坡設計與選擇

混凝土預制板護坡采用六角形板，邊長0.3 cm，護坡厚度t計算公式(1)為：

(1)

式中：η為系數，取1.0，對裝配式護面板取1.1；hp為累積頻率為1%的波高，m；Lm為平均波長，m；b為沿坡向板長，取3.6 m；ρw為水的密度，取1.0 t/m3；ρc為板的密度，取2.4 t/m3；m為坡度系數，取2.5。 經計算t=0.117 m。

干砌塊石護坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和質量、平均粒徑、平均質量和厚度按下式(2)確定：

Q=0.85Q50=0.525ρkD3

(2)

式中：D為石塊的換算球形直徑，m；D50為石塊的平均粒徑，m；Kt為隨坡率變化的系數；ρk為塊石密度，取2.4 t/m3;hp為累積頻率為5%的波高，m；Q為石塊的質量，t；Q50為石塊的平均質量，t。 其余符號意義同上，經計算t=0.26 m。

考慮施工要求，干砌塊石護坡厚度需取0.35 m。

從單價方面來看，混凝土預制板護坡單價高于干砌塊石護坡，但混凝土預制板護坡的施工質量易于控制，工程難度低，綜合成本低，因此本工程推薦混凝土預制板護坡方案，板厚0.12 m，下設砂石墊層厚0.15 m。

4 結 語

以石洞水壩為例，通過對其上下壩線的工程地質條件進行比較分析綜合判斷出水庫壩軸線選擇的結果，壩軸線的選擇應當充分考慮到工程建設的地質條件和建設所需資金等因素；在進行水庫壩型選擇時也需要對多方因素綜合判斷后再確定，石洞水庫的壩型選擇的是黏土心墻壩，具有節省施工成本的優勢，在進行壩基處理后還應當根據工程的實際需求進行護坡的設計與測算，從而綜合提高施工質量。