达州市固军水库工程坝型方案比选设计_李楠.pdf

2023.No.3四 川 水 利达州市固军水库工程坝型方案比选设计李 楠(四川水发勘测设计研究有限公司，成都，610072)【摘要】固军水库地处大巴山暴雨区，洪峰流量大，坝址区地形陡峭，工程地质条件复杂，各坝型均存在关键技术问题。根据地形、地质、筑坝材料条件，结合枢纽建筑物布置、基础处理、施工方案、环境影响、工程运行及经济性等综合比选重力坝和面板堆石坝两种代表坝型方案，选定技术、经济最优，抗超标洪水能力较强的碾压混凝土重力坝作为推荐坝型。文章介绍了在复杂条件下进行坝型比选的实际工程经验，对其他工程进行坝型选择并促进相关坝型的推广应用提供了参考和借鉴。【关键词】固军水库混凝土面板堆石坝碾压混凝土重力坝坝型选择中图分类号:TV64文献标志码:B文章编号:20951809(2023)030051041工程概况固军水库位于四川省万源市境内渠江流域州河支流中河中游，是四川省渠江流域防洪规划报告 规划的一座近期实施的防洪水库，也是国务院提出加快建设的 172 项节水供水重大水利工程之一。水库建设任务是以防洪为主，兼顾发电。固军水库总库容 12719 万 m3，最大坝高 77.40m，为等大(2)型工程。工程建成后，结合下游各城镇堤防建设和河道整治与清障，与州河干流已建的江口水库、在建的土溪口水库和规划的鲜家湾水库等联合运用，可将达州城区近期防洪标准提高到 20 年一遇、远期防洪标准提高到 50 年一遇，将宣汉县城的防洪标准提高到 20 年一遇。固军水库工程洪水标准按 100 年一遇设计、1000 年(混凝土坝)和 2000 年(土石坝)一遇校核，相应洪峰流量 3980m3/s、5500m3/s 和 5940m3/s。工程具有洪峰流量大、泄洪消能建筑物单宽流量大、防洪调度运行条件复杂、地质条件较差、消能区岩体抗冲能力较弱的特点。2坝型方案拟定坝型，就是按坝体材料、结构及传力方式、泄洪方式、施工方法等划分的不同大坝类型。坝型选择是确定坝型的论证工作，一般通过坝型比选工作来完成。坝型选择是水利枢纽工程可行性研究设计阶段的重要决策项目，是一项十分复杂的综合技术经济问题。它涉及许多影响因素，如造价、工期、地质、地形、枢纽布置、抗震、施工条件，对材料的利用及环境问题等等1。在通常情况下，一个坝址都有两个或两个以上的坝型方案可供选择，而且各个方案互有优缺点，尤其随着施工技术及建筑材料的发展，给坝型选择增加了难度。坝型选择上需综合考虑，多方案比较，合理选择2。2.12.1土石坝建坝条件分析土石坝建坝条件分析工区附近无纯粘土料场，土料较为贫瘠，不满足粘土心墙用量要求，不宜选择粘土防渗体堆石坝;受地质构造及岩性控制，工程区附近无风化泥岩料分布，不宜选择风化泥岩防渗体堆石坝。工区石料丰富，距坝址 3.5km 的堆石料场岩性均为三叠系下统嘉陵江组灰岩、白云质灰岩、盐溶角砾岩组，其有用层储量、物理力学指标均满足工程要求，具备修建土石坝的条件，选取混凝土面板堆石坝作为土石坝代表坝型进行比选。2.22.2混凝土重力坝建坝条件分析混凝土重力坝建坝条件分析15李 楠:达州市固军水库工程坝型方案比选设计2023.No.3坝址区料场的微新灰岩作为人工骨料料源使用，其储量与质量均能满足工程要求，开采条件较好，运距较近。坝址区覆盖层厚 2m5m，两岸强、弱风化带厚度分别为 22m39m 和 16m24m，河床无强风化岩体，弱风化带厚度 8m10m。坝址区岩体裂隙发育、岩体较破碎，岩体质量以 A1类和 B2类为主。岩体抗滑、抗变形能力主要受软弱结构面发育情况、岩块间嵌合能力及岩体整体强度控制。坝基分布有 1 条断层，延伸长度大于 150m，破碎带宽度 2m。河床坝基存在的主要软弱夹层共 9条，其中泥化夹层 1 条，岩块岩屑型 2 条，岩屑夹泥型 1 条，煤层或煤线 5 条，各部位起控制作用的夹层不同。两岸岸坡坝段则分别发育有数十条软弱夹层和煤层。从地形、地质条件及混凝土骨料等方面分析，通过采取挖除、灌浆、设抗滑齿槽及增大基础等措施，具备修建混凝土重力坝条件。选取碾压混凝土重力坝为混凝土重力坝代表坝型进行比选。2.32.3混凝土拱坝建坝条件分析混凝土拱坝建坝条件分析坝址区左坝肩由砾岩夹页岩、岩屑砂岩组成，岩层总体倾下游偏坡外，为斜向坡。岸坡岩体强、弱风化带铅直厚度分别为 12m 29m 和 14m 22m，强、弱卸荷带水平深度分别为 24m26m 和14m29m，主要发育有三组主要裂隙，2 条泥型软弱夹层，延伸长度100m，厚度 0.05m 0.08m。右岸由石英砂岩和岩屑砂岩夹页岩，岩层倾下游偏坡内，强、弱风化带铅直厚度分别为 4m 11m和 21m28m，强、弱卸荷带水平深度分别为 18m22m 和 24m31m。岩体中主要发育有三组构造裂隙。坝址区岩体软硬相间，层间剪切错动形成的软弱夹层发育，岩体完整性较差，破碎 较破碎，变形较大，不满足混凝土拱坝拱座基础要求，不具备修建混凝土拱坝条件。通过以上建坝条件分析，选择碾压混凝土重力坝、混凝土面板堆石坝两种坝型进行综合论证比较，择优选择推荐坝型。3方案布置3.13.1碾压混凝土重力坝方案碾压混凝土重力坝方案根据坝址区地形、地质条件以及不同坝型枢纽布置分析，上坝线位于固军大桥上游 130m 的顺直河段，该坝线两岸地形陡峻，坝轴线较短。且坝基各软弱结构面倾向下游，倾角 2728，往下游各软弱结构面倾角 2021。该坝线下游左岸地形相对较缓，具备布置坝下岸边厂房条件，往下游地形较陡，不利于厂房布置，因此碾压混凝土重力坝方案布置在上坝线位置。具体见下图 1 所示。图 1各坝型坝轴线位置碾压混凝土重力坝方案枢纽主要建筑物包括碾压混凝土重力坝 1 座，设泄洪表孔与底孔各 2个，表孔相邻布置，底孔对称布置于表孔两侧。引水发电系统布置于左岸，电站厂房采用左岸坝后岸边式。鱼道进口布置于左岸厂房尾水出口，鱼道出口位于左坝肩上游 50m。碾压混凝土重力坝总共 11 个坝段，总长 220m。3.23.2混凝土面板堆石坝方案混凝土面板堆石坝方案下坝线位于固军大桥下游 220m 的顺直河段，下游河道呈“S”型，左岸为凸岸，右岸为凹岸，利用左岸截弯取直布置泄洪建筑物，混凝土面板坝选择下坝线位置，具体见图 1 所示。设计选择了左、右岸溢洪道方案进行综合技术经济比较。左岸溢洪道内侧边坡为顺向坡，稳定条件较差。溢洪道开挖后内、外侧边坡均为斜向坡，开挖最大深度内坡 91m，外坡 43m，坡体上部为崩坡积块碎石土，下部为风化岩体，且顺层发育数条软弱夹层和煤层。施工开挖切脚后可能产生顺层滑252023.No.3四 川 水 利动，边坡处理工程量大。右岸溢洪道进水渠受地形条件限制为大开挖转弯形式，出口水流对岸坡冲刷影响较大，但内侧边坡为斜向坡软弱结构面倾坡内，地质条件优于左岸截弯取直方案。经比较，右岸溢洪道投资2.12 亿元，左岸溢洪道投资 3.12 亿元(其中抗滑桩投资 1.5 亿元)。右岸溢洪道方案投资较优。通过比较，混凝土面板堆石坝方案枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、右岸表孔溢洪道、左岸泄洪放空洞、左岸发电引水洞、左岸电站厂房、过鱼设施等组成。其中大坝坝顶宽度 10.0m，最大坝高 73.0m，坝轴线全长 178.5m，大坝上游坝坡坡比为 1 1.4，在下游 449.20m、473.00m 高程设二级马道，下游坝坡为 1 1.4。4坝型比选坝型选择是水利枢纽工程设计的重大技术问题，设计采用的坝型是否恰当，对工程任务实现，对工程安全、环境、经济、施工、运行等均有很大影响。合理的坝型可以便于施工布置和节省工期，可以使挡水、泄洪、供水、发电、生态放水等建筑物布置各得其所，在很好地满足各建筑物发挥其功能性要求的同时，使工程投资最小3。4.14.1枢纽布置条件枢纽布置条件(1)重力坝方案泄洪建筑物采用坝身表孔、底孔联合泄洪，工程布置紧凑、简单。发电进水口与左岸非溢流坝结合。发电厂房位于大坝左岸下游。枢纽建筑物占地较小。(2)面板坝方案工程布置相对分散，坝泄洪建筑物布置复杂，需在面板坝右岸修建溢洪道、左岸修建泄洪放空洞联合泄洪。由于溢洪道开挖边坡较高，岩体完整性较差，断层与软弱夹层发育，岩层呈互层状结构，其开挖、支护工程量较大。底孔泄洪洞布置于左岸，枢纽布置分散工程占地较大。混凝土重力坝方案较优。4.24.2坝基地质条件坝基地质条件(1)重力坝方案坝基岩体主要为岩屑砂岩夹页岩与含煤砂岩。整个坝基软弱夹层发育，坝基存在深层滑动与不均匀变形问题。断层、构造软弱夹层力学强度和变形模量较低，对坝基岩体的抗滑稳定性及变形均不利4。河床坝体置于新鲜岩层，两岸坝基置于弱风化岩体中，由于基岩较破碎，基础挖深大，抗滑与承载、变形问题较突出，基础进行全面固结灌浆，基础处理工程量较大。但防渗帷幕轴线长 477m，工程量较面板坝小。(2)面板坝方案坝基岩体主要为砾岩、岩屑砂岩夹页岩。趾板基础置于弱风化中部，开挖量较大，坝壳填筑区基础置于强风化层，剥离覆盖层即可，开挖深度较小。对趾板基础进行固结灌浆，基础处理工程量较小。但帷幕灌浆沿趾板轴线布置，防渗轴线 780m，防渗处理工程量相对较大。两种方案均不受地质条件制约，各有利弊，均可行。混凝土面板堆石坝对基础适应性强，混凝土重力坝对坝基地质条件要求较高，地基处理工程量较混凝土面板堆石坝大，混凝土面板堆石坝方案较优。4.34.3泄水建筑物地质条件泄水建筑物地质条件(1)重力坝方案利用坝身表孔、底孔泄洪，泄洪建筑物布置无新增地质不利条件。(2)面板坝方案右岸溢洪道进水渠边墙及底板建基面位于崩坡积块碎石土和强风化岩体中，岩体破碎，强度低，抗冲刷力差。渠道开挖后外侧边坡主要为斜向坡微倾坡内，局部外侧边坡为顺向坡，设计边坡坡度与岩层倾角近似。内侧边坡主要为斜向坡微倾坡外。开挖最大深度内坡58m，外坡 25m，开挖支护工程量较大。闸室开挖深度 35.9m52.4m，岩体发育 4 条软弱夹层和 1条煤层，开挖后外侧边坡稳定性差。左岸泄洪洞洞室围岩以类和类为主。由于洞顶煤层发育，层间结合力差，施工过程中受爆破影响，易产生坍塌变形。泄洪建筑物地质条件明显差于重力坝方案。4.44.4施工条件施工条件(1)重力坝方案导流隧洞布置于河道右岸，轴线长度 600m，城门洞型，因重力坝参与施工期导流，导流洞规模较面板坝小，洞径为 6.0m 9.0m，临时工程投资 11430.96 万元。施工总工期为 44 个月。(2)面板坝方案导流隧洞利用地形裁弯取直，轴线长度 597m，城门洞型，洞径为 9.0m 11.5m，临时工程投资 17150.64 万元。施工总工35李 楠:达州市固军水库工程坝型方案比选设计2023.No.3期为 48 个月。从施工条件看，重力坝方案较优。4.54.5环评环评、水保影响水保影响(1)重力坝方案新改建场内交通 9.3km;弃渣 146.91 万 m3;开挖量相对较小，弃渣量相对较少，损坏水土保持面积与水保投资相对较小，投资4121 万元。(2)面板坝方案新改建场内交通 14.1km;弃渣 337.61 万 m3;开挖量较大，弃渣量相对较多，损坏水土保持面积与水保投资相对较大，投资5794 万元。重力坝方案较优。4.64.6工程运行工程运行(1)重力坝方案采用坝体泄流，在遇超标准洪水时允许坝顶溢流，抗超标洪水能力较强。(2)土石坝一般不允许漫顶过流(随着技术的发展，虽然采取在坝顶及下游侧进行必要的防护后也可实现漫顶过流甚至度汛，但防护费用高，且需要施工时间，在度汛后又需要拆除时间)，土石坝的散粒体材料抗冲刷及抗掏刷能力极低，一旦水流漫顶，将直接冲刷坝坡、掏刷坝脚，威胁大坝安全2。混凝土面板堆石坝方案不能坝身泄流，不允许漫顶过流，不具备超泄能力，在运行管理上要求更为严格。重力坝方案较优。4.74.7工程投资工程投资根据两种坝型的工程布置和拟定的建筑物结构尺寸，进行工程量计算。通过对主要工程量的投资估算，重力坝方案建筑工程投资 5.502 亿元，面板坝方案建筑工程投资 5.433 亿元。但结合临时工程、环境评价、水土保持、移民征地等多个方面计算，重力坝方案工程静态总投资 27.18 亿元，面板坝方案工程静态总投资 28.36 亿元。混凝土面板堆石坝泄洪建筑物布置复杂，右岸溢洪道开挖后，引渠外侧边坡为斜向坡微倾坡内，局部外侧边坡为顺向坡，存在高边坡稳定问题，出口水流对下游山体边坡近距离冲刷较严重。碾压混凝土重力坝大坝基础岩体软硬相间，层间剪切错动形成的软弱夹层发育，岩体完整性较差，破碎较破碎，变形较大，需进行基础处理。两方案均存在关键技术问题，重力坝方案工程静态总投资相对面板坝方案少 1.18 亿元。4.84.8坝型选择坝型选择碾压混凝土重力坝泄洪建筑物布置相对简单，利用坝身布置泄洪表孔和放空底孔，电站取水口可布置在左岸非溢流坝段上，枢纽总布置相对紧凑，永久占地范围较小。经工程措施处理后，重力坝方案在满足规程规范要求情况下，技术经济可行，且更适应大巴山暴雨区的自然条件，抗超标洪水能力较强，更适用于防洪水库工程，也更加贯彻“绿色、环保、安全”的设计理念。因此，综合筑坝条件、工程布置、地质条件、环评水保、移民占地、工程施工、运行管理及工程投资等各方面综合经济比较，选定碾压混凝土重力坝坝型。目前，固军水库工程已通过水利部审批，碾压混凝土重力坝已开工建设。5总结水利工程选定基本坝型是可研阶段设计的重点和难点。固军水库地处大巴山暴雨区，坝址区地形陡峭，工程地质条件十分复杂，各坝型均存在关键技术问题。针对坝型选择复杂技术难点，开展了坝型比选专题研究工作，通过对不同坝型同精度的综合比较，选定技术经济最优、且更适应大巴山暴雨区自然条件，抗超标洪水能力较强的碾压混凝土重力坝。通过研究，提供了在洪峰流量大、复杂地质条件下进行坝型选择的方法与经验。参 考 文 献 1 赵承霞，夏克清，孙耀坤水利枢纽工程坝型基本理论及研究现状 J 科技创新导报，2009(13):90 2 陈志强，侍克斌水利枢纽工程坝型选择影响因素的分析 J 中国农村水利水电，2007(8):6266 3 赵 玮引汉济渭工程三河口水利枢纽坝型选择研究 J 陕西水利，2015(4):99101 4 杨代齐水工建筑物基础处理探讨 J 水利规划与设计，2015(8):8284作者简介:李 楠(1981)，男，汉，四川宜宾人，高级工程师，学士，固军水库工程项目设总，主要从事水利水电设计工作。Email:23666054 45