水库工程坝型方案比选分析

摘要：新疆生产建设兵团第六师土墩子农场甘河子水库工程项目实施中，结合甘河子水库工程地形地质条件、施工条件、枢纽布置、筑坝材料等现状因素，对适宜修建的沥青混凝土心墙砂砾石坝、黏土心墙砂砾石坝和混凝土面板砂砾石坝3种坝型方案特点进行逐一比选，全面论证分析了3种水库工程坝型方案优点与缺点，最终确定合理的坝型方案，优化了坝体结构形式，有助于工程效益显现，同时比选分析成果可为小（Ⅰ）型山区控制性水库工程建设提供参考。

关键词：水库工程；坝型方案；比选分析

新疆生产建设兵团第六师五家渠市位于新疆昌吉州境内下游沙漠化边缘地带，生态环境较为恶劣，属于严重干旱缺水地区。其下辖的14个农牧团场农业灌溉主要依赖于上游河水和地下水。目前，上游河水逐年减少，地下水超采严重，现有的水资源严重紧缺，水资源的供需矛盾日益突出，难以满足团场农业灌溉用水需求。随着引额济乌的调水进入阜康市和第六师，这2个地区的水资源量将发生较大的变化，为了充分利用调水和本地区有限的水资源，需要对水资源重新进行合理配置。在低水低用、高水高用、近水近用；近期、远期相结合；以供定需和以需定供相结合等原则下，需要新建甘河子水库来解决甘河子河灌区农业灌溉季节性缺水问题以及工业发展的用水问题，甘河子水库为提升灌区水资源有效利用、生态环境保护和职工群众生活条件改善发挥重要作用［1］。

1工程概况

甘河子水库位于新疆生产建设兵团第六师土墩子农场上游的甘河子河河谷上，坝址距下游甘河子镇5km，距阜康市38km，距乌鲁木齐市95km。甘河子水库为甘河子河上的山区控制性工程，承担下游农业灌溉、工业用水的调节任务，改善调节灌溉面积5500hm2。2017年，第六师申请国家水利专项资金，实施甘河子水库工程建设，重点解决甘河子河灌区农业灌溉季节性缺水问题以及工业发展的用水问题。甘河子水库工程由混凝土面板砂砾石坝、坝身溢洪道及导流泄洪灌溉供水洞组成，工程等别为IV等，工程规模属小（1）型，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。水库总库容616万m3，其中死库容100万m3、兴利库容431万m3、调洪库容151万m3，设计最大坝高53.7m。甘河子水库工程建成后，年供水量为2980.50万m3，可以有效缓解下游农业灌溉、工业用水之间的矛盾，为项目区水资源有效利用、生态环境保护和职工群众生活条件改善发挥重要作用。

2工程布置

在右岸布置导流洞，导流洞出口设置1个临时引水口，解决施工期灌区引水问题。在导流结束后，将导流洞改建成表孔泄洪洞，闸门控制段布置在导流洞弯道上方。在河道左岸布置泄洪放水洞，隧洞出口分水入引水渠道中。泄洪放水洞总长468.3m，为有压隧洞，由引渠段、有压短管段、检修闸井段、洞身段、工作闸室段、出口消能段及放水管组成，校核洪水位时要求最大泄流能力86.71m3/s。右岸表孔溢洪洞由导流洞改建，由引渠段、控制段、斜洞段、平洞段、出口消能段组成，校核洪水情况下要求最大泄流能力167.87m3/s［2，3］。

3坝型方案比选分析

3.1坝型选择

根据甘河子水库工程地形地质条件、施工条件、枢纽布置、工程投资等方面的综合分析，第六师土墩子农场上游甘河子河河谷上适宜修建当地材料坝，具体条件如下。（1）甘河子水库下坝址区河谷呈“U”形，坝基断层不发育，裂隙延伸长度大，对坝基渗透不利，坝基岩石为坚硬岩。（2）土石坝对坝址地质条件要求较低，砂砾石坝坝壳持力层可置于砂卵砾石层或强风化岩体上，开挖深度较小，施工方便，便于实施。（3）坝型选择受天然建筑材料的制约性较少，查明工程区砂砾石储量725万m3，运距1.5～9km，可作为筑坝材料；防渗土料查明储量120万m3，运距4～10km，可作为心墙料使用。（4）沥青混凝土心墙坝施工经验在水工大坝建设中得到了广泛的应用，效果明显。（5）在深覆盖层上建面板坝的技术日趋成熟。基于上述条件，结合沥青混凝土心墙砂砾石坝、黏土心墙砂砾石坝及混凝土面板砂砾石坝3种坝型特点进行技术经济比较，最终确定推荐坝型方案［4-6］。水库坝型方案特性指标参数，详见表1。

3.2坝型方案特点分析

3.2.1沥青混凝土心墙砂砾石坝大坝主体采用当地砂砾石料进行填筑，坝壳两侧砂砾石透水性较强；坝体中部设置沥青混凝土墙作为防渗体，沥青混凝土主要组成材料有沥青、骨料、填充料，具有良好的防渗及适应变形的性能。其特点分析如下。（1）地形地质条件。两岸基岩的自然边坡满足沥青混凝土心墙砂砾石坝对岸坡的要求，坝基处理简单，施工方便，安全可靠。（2）筑坝材料。坝体实施中，筑坝材料种类较少；沥青混凝土是一种黏弹塑性材料，抗震性能好，防渗性好，不会产生水力剪裂及冲蚀问题，坝型坝体结构简单、筑坝材料种类少。（3）坝体渗透稳定性。沥青混凝土是一种黏弹塑性材料，当沥青含量在6%以上，沥青混凝土很容易压实到孔隙率在3%以下，这样的孔隙率即使在很高的水头下也不渗透水。（4）坝体抗震性能和坝坡稳定。坝体结构简单，坝料比较单一，且不存在产生地震液化的可能性；构成坝体的坝壳料透水性较大，周期性荷载产生的超静孔隙水压力能够很快消散，在发生地震时孔隙水压力不会聚集得很大，坝体稳定性较好。（5）坝体应力、变形。坝体的应力和变形均可满足设计要求，坝体结构设计合理可行，大坝安全性较高。（6）坝基处理及渗透稳定性。沥青混凝土心墙砂砾石坝基础河床段卵砾石最大深度为42.4m，混凝土防渗墙最大深度41m，对坝基渗透不利。（7）施工条件。项目区处于山区河谷上游，气温较低，坝体施工中受气温影响较大，全年有效施工期为8个月，施工期较短；施工用料运输方便；围堰可与坝体相结合，但围堰填筑较高；施工进度慢。（8）工程量。挡水建筑物工程量较大，临时建筑物（包括上游围堰和截流堤）工程量较少，总体工程量较大。（9）工程投资。建筑工程费6000.55万元，工程投资较多。3.2.2黏土心墙砂砾石坝大坝主体采用当地砂砾石料进行填筑，坝壳两侧砂砾石透水性较强；坝体中部以防渗性较好的黏性土作为防渗体设在坝的剖面中心位置，心墙材料可以用黏土，心墙占总的体积比重不大。其特点分析如下。（1）地形地质条件。坝基开挖宽度很宽，现有的两岸基岩的自然边坡开挖难以满足。坝基为砂卵砾石，厚度20～40m，采用混凝土防渗墙，基础处理可靠。（2）筑坝材料。坝体实施中，筑坝材料种类较少；黏土心墙易产生裂缝和水力劈裂现象，土料的抗冲蚀能力较低。坝体结构的渗流保护尤其是在地震条件下的渗流保护，稍有不慎将会对工程埋下隐患，工程运行期的安全性小于沥青混凝土心墙。（3）坝体渗透稳定性。黏土心墙的抗冲蚀能力远低于沥青混凝土心墙，土料的黏粒含量低，在运行期或地震时心墙易产生裂缝，故坝体的渗透稳定特性远小于沥青混凝土心墙坝。（4）坝体抗震性能和坝坡稳定。在强震时心墙易产生裂缝，砂反滤层易产生液化，这对坝体的渗透稳定和整体稳定都是不利的，在坝体外形轮廓相同的条件下，由于坝料的差异，黏土心墙坝的抗震性能不如沥青混凝土心墙坝好。（5）坝体应力、变形。坝体的应力和变形均可满足设计要求，坝体结构设计合理可行，大坝安全性较高。（6）坝基处理及渗透稳定性。心墙坝基础河床段卵砾石最大深度为42.4m，混凝土防渗墙最大深度41m，裂隙延伸长度大，对坝基渗透不利。（7）施工条件。项目区处于山区河谷上游，气温较低，坝体施工中受气温影响较大，全年有效施工期为8个月，施工期较短；坝料运输方便，围堰可与坝体相结合，但围堰填筑较高；施工进度较慢。（8）工程量。挡水建筑物工程量最大，临时建筑物（包括上游围堰和截流堤）工程量较少，总体工程量最大。（9）工程投资。建筑工程费6102.07万元，工程投资最多。3.2.3混凝土面板砂砾石坝大坝主体采用当地砂砾石料进行填筑，坝壳两侧砂砾石透水性较强；坝体前侧护坡由水泥、碎石、中砂、水按照一定比例混合浇筑到模具上，形成长宽尺寸大于厚度的大体积混凝土板进行防渗护砌，施工工艺简单、进度快。其特点分析如下。（1）地形地质条件。两岸趾板基础开挖会存在较高的边坡，开挖量大，右岸趾板靠河床部位岩体较薄。基础采用混凝土防渗墙，基础处理可靠。（2）筑坝材料。坝体实施中，筑坝材料种类较多，但需要制备的坝料主要有垫层料和过渡料，现场筛分；混凝土面板在施工时要密切注意养护，防止产生裂缝。（3）坝体渗透稳定性。作为一种刚性结构，混凝土面板及伸缩缝在施工期、运行期或地震时易产生破坏，使防渗系统产生大量漏水，另外砂砾料的渗透稳定性差，坝体的渗透稳定条件远低于沥青混凝土心墙坝。（4）坝体抗震性能和坝坡稳定。坝体具有良好的抗震性能，堆石体在混凝土防渗面板的保护下处于干燥状态，能抵抗强震而产生小的变形，坝体稳定性好。（5）坝体应力、变形。坝体的应力和变形均可满足设计要求，坝体结构设计合理可行，大坝安全性较高。（6）坝基处理及渗透稳定性。面板坝趾板河床部位卵砾石最大深度为31m，混凝土防渗墙最大深度27m，防渗墙深度较心墙坝浅，基岩防渗处理也比心墙坝容易。（7）施工条件。坝体施工中受气温影响最小；坝料运输难度较大；围堰与坝体分离，由于受地形条件的限制，围堰填筑较低；施工进度较快。（8）工程量。挡水建筑物工程量较小，临时建筑物（包括上游围堰和截流堤）工程量较多，总体工程量最小。（9）工程投资。建筑工程费5800.26万元，工程投资最少。

3.3结论

通过对沥青混凝土心墙砂砾石坝、黏土心墙砂砾石坝、混凝土面板砂砾石坝3种坝型方案进行对比，从地形地质条件、筑坝材料、坝体渗透稳定性、坝体抗震性能和坝坡稳定、坝体应力及变形、坝基处理及渗透稳定性、施工条件、工程量、工程投资方面分析比较，分析成果详见表2.综合上述分析成果，混凝土面板砂砾石坝方案最优，工程建设实施中施工技术简单，施工技术难度较低，稳定性强，整体工程施工进度快，投资最少；沥青混凝土心墙砂砾石坝方案一般，施工技术和施工难度较大，稳定性差，整体工程施工进度慢，投资较大；黏土心墙砂砾石坝方案最差，施工技术和施工难度较大，稳定性差，整体工程施工进度慢，且投资最高。鉴于上述分析结论，最终确定土墩子农场甘河子水库工程坝型采用混凝土面板砂砾石坝方案［7，8］。

4结语

新疆生产建设兵团第六师土墩子农场水利基础条件薄弱，在甘河子水库工程项目实施中，通过优化水库坝型设计方案，提升了工程建设质量，降低了工程建设投资，便于实施管理，对改善项目区水资源有效利用、生态环境保护和职工群众生活条件具有重要意义。项目建设中对沥青混凝土心墙砂砾石坝、黏土心墙砂砾石坝和混凝土面板砂砾石坝3种坝型方案进行比选、分析，是基于水库为小（1）型山区控制性工程、库容较小、坝线较短、坝体较高且现有地形地质条件比较优越的情况进行的，非上述情况的水库工程坝型方案选择还需结合实际重新论证、分析，最终才能确定最佳工程坝型方案形式。

参考文献

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[8]大石门水利枢纽工程项目组.新疆车尔臣河大石门水利枢纽工程坝型比选论证专题报告[R].乌鲁木齐：新疆维吾尔自治区水利勘测设计研究院，2015

作者：张龙 单位：五家渠市水政监察支队