水庫工程壩型方案比選分析

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摘要：新疆生產建設兵團第六師土墩子農場甘河子水庫工程項目實施中，結合甘河子水庫工程地形地質條件、施工條件、樞紐布置、筑壩材料等現狀因素，對適宜修建的瀝青混凝土心墻砂礫石壩、黏土心墻砂礫石壩和混凝土面板砂礫石壩3種壩型方案特點進行逐一比選，全面論證分析了3種水庫工程壩型方案優點與缺點，最終確定合理的壩型方案，優化了壩體結構形式，有助于工程效益顯現，同時比選分析成果可為小（Ⅰ）型山區控制性水庫工程建設提供參考。

關鍵詞：水庫工程；壩型方案；比選分析

新疆生產建設兵團第六師五家渠市位于新疆昌吉州境內下游沙漠化邊緣地帶，生態環境較為惡劣，屬于嚴重干旱缺水地區。其下轄的14個農牧團場農業灌溉主要依賴于上游河水和地下水。目前，上游河水逐年減少，地下水超采嚴重，現有的水資源嚴重緊缺，水資源的供需矛盾日益突出，難以滿足團場農業灌溉用水需求。隨著引額濟烏的調水進入阜康市和第六師，這2個地區的水資源量將發生較大的變化，為了充分利用調水和本地區有限的水資源，需要對水資源重新進行合理配置。在低水低用、高水高用、近水近用；近期、遠期相結合；以供定需和以需定供相結合等原則下，需要新建甘河子水庫來解決甘河子河灌區農業灌溉季節性缺水問題以及工業發展的用水問題，甘河子水庫為提升灌區水資源有效利用、生態環境保護和職工群眾生活條件改善發揮重要作用［1］。

1工程概況

甘河子水庫位于新疆生產建設兵團第六師土墩子農場上游的甘河子河河谷上，壩址距下游甘河子鎮5km，距阜康市38km，距烏魯木齊市95km。甘河子水庫為甘河子河上的山區控制性工程，承擔下游農業灌溉、工業用水的調節任務，改善調節灌溉面積5500hm2。2017年，第六師申請國家水利專項資金，實施甘河子水庫工程建設，重點解決甘河子河灌區農業灌溉季節性缺水問題以及工業發展的用水問題。甘河子水庫工程由混凝土面板砂礫石壩、壩身溢洪道及導流泄洪灌溉供水洞組成，工程等別為IV等，工程規模屬小（1）型，主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級。水庫總庫容616萬m3，其中死庫容100萬m3、興利庫容431萬m3、調洪庫容151萬m3，設計最大壩高53.7m。甘河子水庫工程建成后，年供水量為2980.50萬m3，可以有效緩解下游農業灌溉、工業用水之間的矛盾，為項目區水資源有效利用、生態環境保護和職工群眾生活條件改善發揮重要作用。

2工程布置

在右岸布置導流洞，導流洞出口設置1個臨時引水口，解決施工期灌區引水問題。在導流結束后，將導流洞改建成表孔泄洪洞，閘門控制段布置在導流洞彎道上方。在河道左岸布置泄洪放水洞，隧洞出口分水入引水渠道中。泄洪放水洞總長468.3m，為有壓隧洞，由引渠段、有壓短管段、檢修閘井段、洞身段、工作閘室段、出口消能段及放水管組成，校核洪水位時要求最大泄流能力86.71m3/s。右岸表孔溢洪洞由導流洞改建，由引渠段、控制段、斜洞段、平洞段、出口消能段組成，校核洪水情況下要求最大泄流能力167.87m3/s［2，3］。

3壩型方案比選分析

3.1壩型選擇

根據甘河子水庫工程地形地質條件、施工條件、樞紐布置、工程投資等方面的綜合分析，第六師土墩子農場上游甘河子河河谷上適宜修建當地材料壩，具體條件如下。（1）甘河子水庫下壩址區河谷呈“U”形，壩基斷層不發育，裂隙延伸長度大，對壩基滲透不利，壩基巖石為堅硬巖。（2）土石壩對壩址地質條件要求較低，砂礫石壩壩殼持力層可置于砂卵礫石層或強風化巖體上，開挖深度較小，施工方便，便于實施。（3）壩型選擇受天然建筑材料的制約性較少，查明工程區砂礫石儲量725萬m3，運距1.5～9km，可作為筑壩材料；防滲土料查明儲量120萬m3，運距4～10km，可作為心墻料使用。（4）瀝青混凝土心墻壩施工經驗在水工大壩建設中得到了廣泛的應用，效果明顯。（5）在深覆蓋層上建面板壩的技術日趨成熟。基于上述條件，結合瀝青混凝土心墻砂礫石壩、黏土心墻砂礫石壩及混凝土面板砂礫石壩3種壩型特點進行技術經濟比較，最終確定推薦壩型方案［4-6］。水庫壩型方案特性指標參數，詳見表1。

3.2壩型方案特點分析

3.2.1瀝青混凝土心墻砂礫石壩大壩主體采用當地砂礫石料進行填筑，壩殼兩側砂礫石透水性較強；壩體中部設置瀝青混凝土墻作為防滲體，瀝青混凝土主要組成材料有瀝青、骨料、填充料，具有良好的防滲及適應變形的性能。其特點分析如下。（1）地形地質條件。兩岸基巖的自然邊坡滿足瀝青混凝土心墻砂礫石壩對岸坡的要求，壩基處理簡單，施工方便，安全可靠。（2）筑壩材料。壩體實施中，筑壩材料種類較少；瀝青混凝土是一種黏彈塑性材料，抗震性能好，防滲性好，不會產生水力剪裂及沖蝕問題，壩型壩體結構簡單、筑壩材料種類少。（3）壩體滲透穩定性。瀝青混凝土是一種黏彈塑性材料，當瀝青含量在6%以上，瀝青混凝土很容易壓實到孔隙率在3%以下，這樣的孔隙率即使在很高的水頭下也不滲透水。（4）壩體抗震性能和壩坡穩定。壩體結構簡單，壩料比較單一，且不存在產生地震液化的可能性；構成壩體的壩殼料透水性較大，周期性荷載產生的超靜孔隙水壓力能夠很快消散，在發生地震時孔隙水壓力不會聚集得很大，壩體穩定性較好。（5）壩體應力、變形。壩體的應力和變形均可滿足設計要求，壩體結構設計合理可行，大壩安全性較高。（6）壩基處理及滲透穩定性。瀝青混凝土心墻砂礫石壩基礎河床段卵礫石最大深度為42.4m，混凝土防滲墻最大深度41m，對壩基滲透不利。（7）施工條件。項目區處于山區河谷上游，氣溫較低，壩體施工中受氣溫影響較大，全年有效施工期為8個月，施工期較短；施工用料運輸方便；圍堰可與壩體相結合，但圍堰填筑較高；施工進度慢。（8）工程量。擋水建筑物工程量較大，臨時建筑物（包括上游圍堰和截流堤）工程量較少，總體工程量較大。（9）工程投資。建筑工程費6000.55萬元，工程投資較多。3.2.2黏土心墻砂礫石壩大壩主體采用當地砂礫石料進行填筑，壩殼兩側砂礫石透水性較強；壩體中部以防滲性較好的黏性土作為防滲體設在壩的剖面中心位置，心墻材料可以用黏土，心墻占總的體積比重不大。其特點分析如下。（1）地形地質條件。壩基開挖寬度很寬，現有的兩岸基巖的自然邊坡開挖難以滿足。壩基為砂卵礫石，厚度20～40m，采用混凝土防滲墻，基礎處理可靠。（2）筑壩材料。壩體實施中，筑壩材料種類較少；黏土心墻易產生裂縫和水力劈裂現象，土料的抗沖蝕能力較低。壩體結構的滲流保護尤其是在地震條件下的滲流保護，稍有不慎將會對工程埋下隱患，工程運行期的安全性小于瀝青混凝土心墻。（3）壩體滲透穩定性。黏土心墻的抗沖蝕能力遠低于瀝青混凝土心墻，土料的黏粒含量低，在運行期或地震時心墻易產生裂縫，故壩體的滲透穩定特性遠小于瀝青混凝土心墻壩。（4）壩體抗震性能和壩坡穩定。在強震時心墻易產生裂縫，砂反濾層易產生液化，這對壩體的滲透穩定和整體穩定都是不利的，在壩體外形輪廓相同的條件下，由于壩料的差異，黏土心墻壩的抗震性能不如瀝青混凝土心墻壩好。（5）壩體應力、變形。壩體的應力和變形均可滿足設計要求，壩體結構設計合理可行，大壩安全性較高。（6）壩基處理及滲透穩定性。心墻壩基礎河床段卵礫石最大深度為42.4m，混凝土防滲墻最大深度41m，裂隙延伸長度大，對壩基滲透不利。（7）施工條件。項目區處于山區河谷上游，氣溫較低，壩體施工中受氣溫影響較大，全年有效施工期為8個月，施工期較短；壩料運輸方便，圍堰可與壩體相結合，但圍堰填筑較高；施工進度較慢。（8）工程量。擋水建筑物工程量最大，臨時建筑物（包括上游圍堰和截流堤）工程量較少，總體工程量最大。（9）工程投資。建筑工程費6102.07萬元，工程投資最多。3.2.3混凝土面板砂礫石壩大壩主體采用當地砂礫石料進行填筑，壩殼兩側砂礫石透水性較強；壩體前側護坡由水泥、碎石、中砂、水按照一定比例混合澆筑到模具上，形成長寬尺寸大于厚度的大體積混凝土板進行防滲護砌，施工工藝簡單、進度快。其特點分析如下。（1）地形地質條件。兩岸趾板基礎開挖會存在較高的邊坡，開挖量大，右岸趾板靠河床部位巖體較薄。基礎采用混凝土防滲墻，基礎處理可靠。（2）筑壩材料。壩體實施中，筑壩材料種類較多，但需要制備的壩料主要有墊層料和過渡料，現場篩分；混凝土面板在施工時要密切注意養護，防止產生裂縫。（3）壩體滲透穩定性。作為一種剛性結構，混凝土面板及伸縮縫在施工期、運行期或地震時易產生破壞，使防滲系統產生大量漏水，另外砂礫料的滲透穩定性差，壩體的滲透穩定條件遠低于瀝青混凝土心墻壩。（4）壩體抗震性能和壩坡穩定。壩體具有良好的抗震性能，堆石體在混凝土防滲面板的保護下處于干燥狀態，能抵抗強震而產生小的變形，壩體穩定性好。（5）壩體應力、變形。壩體的應力和變形均可滿足設計要求，壩體結構設計合理可行，大壩安全性較高。（6）壩基處理及滲透穩定性。面板壩趾板河床部位卵礫石最大深度為31m，混凝土防滲墻最大深度27m，防滲墻深度較心墻壩淺，基巖防滲處理也比心墻壩容易。（7）施工條件。壩體施工中受氣溫影響最小；壩料運輸難度較大；圍堰與壩體分離，由于受地形條件的限制，圍堰填筑較低；施工進度較快。（8）工程量。擋水建筑物工程量較小，臨時建筑物（包括上游圍堰和截流堤）工程量較多，總體工程量最小。（9）工程投資。建筑工程費5800.26萬元，工程投資最少。

3.3結論

通過對瀝青混凝土心墻砂礫石壩、黏土心墻砂礫石壩、混凝土面板砂礫石壩3種壩型方案進行對比，從地形地質條件、筑壩材料、壩體滲透穩定性、壩體抗震性能和壩坡穩定、壩體應力及變形、壩基處理及滲透穩定性、施工條件、工程量、工程投資方面分析比較，分析成果詳見表2.綜合上述分析成果，混凝土面板砂礫石壩方案最優，工程建設實施中施工技術簡單，施工技術難度較低，穩定性強，整體工程施工進度快，投資最少；瀝青混凝土心墻砂礫石壩方案一般，施工技術和施工難度較大，穩定性差，整體工程施工進度慢，投資較大；黏土心墻砂礫石壩方案最差，施工技術和施工難度較大，穩定性差，整體工程施工進度慢，且投資最高。鑒于上述分析結論，最終確定土墩子農場甘河子水庫工程壩型采用混凝土面板砂礫石壩方案［7，8］。

4結語

新疆生產建設兵團第六師土墩子農場水利基礎條件薄弱，在甘河子水庫工程項目實施中，通過優化水庫壩型設計方案，提升了工程建設質量，降低了工程建設投資，便于實施管理，對改善項目區水資源有效利用、生態環境保護和職工群眾生活條件具有重要意義。項目建設中對瀝青混凝土心墻砂礫石壩、黏土心墻砂礫石壩和混凝土面板砂礫石壩3種壩型方案進行比選、分析，是基于水庫為小（1）型山區控制性工程、庫容較小、壩線較短、壩體較高且現有地形地質條件比較優越的情況進行的，非上述情況的水庫工程壩型方案選擇還需結合實際重新論證、分析，最終才能確定最佳工程壩型方案形式。

參考文獻

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作者：張龍 單位：五家渠市水政監察支隊