坪底供水工程水庫樞紐總體布置方案比選

賈 斌

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 工程概況

坪底供水工程地處呂梁市石樓縣境內黃河一級支流屈產河上，水庫壩址位于裴溝鄉坪底村下游約500 m，調蓄水池位于坪底水庫壩址上游約13 km的西衛村以南。壩址距石樓縣22 km，距柳林縣70 km，現有柳石二級公路通過庫區和調蓄水池，與引水管線并行而下，交通運輸條件較好。

坪底供水工程主要包括水庫樞紐、供水管道、調蓄水池3部分。樞紐建筑物主要由攔河混凝土重力壩和施工導流洞組成。攔河壩壩頂長115.4 m，最大壩高31 m；供水管道正常工作狀態設計供水流量0.3 m3/s，管徑600 mm，供水線路總長11.243 km；調蓄水池圍護壩采用均質碾壓土壩，總庫容120萬m3。

2 工程建設必要性

石樓縣水資源十分短缺，目前僅有部分地表水可供利用，但由于地高水低，且缺乏地表水控制工程，地表水開發利用率極低，需水量與供水量之間存在很大缺口。加之供水能力不足，致使許多項目不能及時立項。隨著國民經濟的發展和產業結構的調整，水資源的短缺已經成為制約全縣經濟發展的重要因素。

根據呂梁市第二次水資源評價成果，石樓縣多年平均水資源總量6 327萬m3，其中河川徑流量為6 083萬m3，地下水資源量為2 375萬m3，重復利用量為2 131萬m3，地下水可開采量156萬m3，平均年用水總量330萬m3，僅占全縣水資源總量的5.2%左右。據目前工農業情況分析，全縣缺水130萬m3左右，主要是農業缺水，由于沒有可靠的水源，導致全縣經濟發展緩慢，很多外資企業無法投資，也使部分工礦企業的改、擴建項目和新建項目不能實施，極大地影響了當地國民經濟的發展，一些工礦企業的生產工藝達不到設計要求，粉塵、有害氣體、廢水大量外泄，污染了空氣、水體，惡化了人類的生存環境，損害了人們的身體健康。另外，部分地區生活用水實行定時、定點配額供水，嚴重影響了人們的正常生活。加之目前，石樓縣擬建2×600 MW燃煤電廠，該電廠建成后將每年上繳3億元利稅，大大加快全縣的經濟發展步伐，迫切需要新水源工程解決用水問題。因此，水資源緊缺已嚴重制約了全縣的國民經濟發展，石樓縣應在節水、治污的前提下，加快建設新的水源工程來推進地區國民經濟的可持續發展。屈產河流域洪災較旱災少，但大災年份洪水災害損失非常嚴重。目前，屈產河沒有一座控制性工程，建設坪底水庫后可減緩屈產河干流洪水下泄過程，緩減下游沿河兩岸人民群眾的洪水危害，減輕洪水對黃河干流的壓力，促進當地經濟和社會的發展。綜上所述，興建坪底水庫是十分必要的。

3 工程等別和標準

根據《防洪標準》《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規定及可行性研究報告審查意見，確定水庫為小（一）型水庫，工程等別為Ⅳ等。水庫大壩為4級建筑物，取水泵站、供水管道、調蓄水池等主要建筑物為4級，次要建筑物為5級，導流洞等其他臨時建筑物按5級建筑物設計。大壩的設計洪水標準采用30年一遇，校核洪水標準采用200年一遇；取水泵站為庫區取水，其洪水標準與水庫大壩防洪標準一致；供水管道工程按10年一遇洪水設計，30年一遇洪水校核；調蓄水池池身結構為均質碾壓土壩，按30年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核；地震基本烈度為Ⅵ度，工程設防烈度為6度。

4 水庫樞紐總體布置

4.1 壩址、壩軸線及壩型的比選方案

壩址確定：在工程可研階段，對屈產河的可能建壩河段，初步選定坪底村下游約500 m處的上壩址和坪底村下游約1.2 km處的下壩址兩個壩址進行比選。壩址比選從上下壩址的地形、地質條件，建筑物布置、施工條件及工程量、投資等多方面進行了綜合比較，推薦采用上壩址方案。

壩軸線確定：圍繞可行性研究報告所確定的推薦壩址和壩軸線，初步設計工作一開始就進行了詳細查勘和測量定線工作，結合地形、地質測量和勘探成果，分析比較認為：壩軸線處河谷左岸下部為土質岸坡，坡度較緩，發育Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級階地，階地覆蓋層總厚度20～60 m，壩基開挖工程量較大；同時，在壩址左岸下游距壩軸線約200 m處，發育一條北北東向沖溝，而且三疊系二馬營組砂巖由庫區連續分布至沖溝處，砂巖分布高程較正常蓄水位低，該砂巖為弱—中等透水性，為滲漏層位，水庫蓄水后壩前庫區左岸存在一定的滲漏問題。另外，因壩址左岸下游沖溝距壩址較近，壩肩處岸坡三面臨空，左壩頭巖體抗力條件較差。為了減少壩基開挖工程量、延長左壩肩滲徑以及改善左壩頭巖體抗力條件，在初步設計階段將壩軸線向河道上游推移約80 m，調整后的壩軸線走向為N49.7°E。

壩型確定：坪底水庫為屈產河干流上的骨干工程，屈產河洪水量大峰陡，本工程壩址處河谷狹窄，兩岸地形陡峻，無合適地形修建溢洪道，不具備建土石壩的條件。根據工程區料場調查資料，壩址區就近無合適的石料場，最近的料場運距也較遠；同時考慮到砌石施工速度較慢，漿砌石壩在該工程中不具備明顯的優勢。因此，坪底水庫壩型不適宜采用當地材料壩。在壩型比選的基礎上，本工程樞紐大壩壩長較短、壩體工程量不大，從表孔、底孔泄流建筑物的布置對碾壓混凝土施工的影響等方面來看，碾壓混凝土重力壩通倉澆筑、施工速度快的優勢并不明顯；同時其對壩基處理要求相對較高，工程投資比混凝土重力壩略高。鑒于壩址區地形、地質條件較能滿足修建混凝土重力壩的條件，并且混凝土重力壩施工較簡單，對地基的要求較低、工程投資少且運行安全，從而確定混凝土重力壩為本工程推薦壩型。

4.2 大壩泄洪方式及泄洪建筑物布置方案比選

大壩壩頂總長115.4 m，壩頂高程837.0 m，最大壩高段建基面高程806.0 m，最大壩高31.0 m。坪底水庫樞紐工程主要由大壩及取水泵站等建筑物組成。在壩型、取水泵站及施工導流洞位置基本確定的前提下，主要針對大壩泄洪方式及泄洪建筑物布置進行重點論證。對“溢流壩段6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”和“溢流壩段4孔溢流表孔＋3孔泄流底孔”兩個方案在大壩技術參數相同的情況下進行比選。

4.2.1 方案一：“6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”

大壩由左、右岸擋水壩段和溢流壩段三部分組成。左岸擋水壩段長23.4 m，右岸擋水壩段長19.5 m。溢流壩段布置在兩岸擋水壩段中間，長72.5 m。擋水壩段壩頂高程837.0 m，壩頂寬4.5 m，上游壩面為豎直面，下游壩坡坡比1∶0.75。溢流壩段共設6孔溢流表孔，孔口凈寬10 m，堰頂高程825.0 m，堰面曲線上游面采用三段圓弧，下游面采用WES冪曲線堰頂每孔設置檢修閘門和工作閘門各1道。溢流堰下游設消力池進行消能，消力池長65.0 m，深3.0 m，消力池后設鉛絲石籠護底。溢流壩段設寬4.5 m的檢修工作橋與兩岸壩頂相通。

根據泄洪排沙的要求，設一有壓泄流底孔，底孔斷面尺寸4 m×4 m，進口底板高程816.0 m。泄流底孔為壩身泄水孔，為矩形壓力短洞，全長22.7 m，進口段9.0 m，洞身段長13.7 m，出口通過直線段和反弧段與溢流段消力池相連。泄流底孔進口底板水平，頂部和側面采用1/4橢圓曲線；出口段頂板設置壓坡段，邊坡比1∶8。進口前后設置檢修閘門和工作閘門各1道，各閘門啟閉設備布置于閘門頂部啟閉機平臺上。檢修閘門孔口寬4.0 m，高4.5 m。工作閘門孔口寬4.0 m，高4.0 m。泄流底孔進口底板高程816.00 m，檢修平臺高程832.00 m，啟閉機平臺高程838.80 m。

壩體采用C20混凝土，抗滲標號W8，水位變動區抗凍標號F200，其他部位F150。溢流堰表面、導墻、閘墩采用C35抗磨蝕混凝土。大壩壩肩、壩基均座落于弱風化中、下限，壩基巖石開挖深度約4 m，兩壩肩巖石開挖深度1.0 m。由于壩基和壩肩部分地段有一般節理裂隙發育，存在滲漏通道，故設計考慮沿壩長設一道固結灌漿孔，孔深5.0 m，孔徑70 mm，孔距3.0 m；沿壩長設一排帷幕灌漿孔，左、右兩岸壩頭外分別延伸15 m和13 m，孔深按進入第二巖組泥巖2～3 m控制，孔徑60 mm，孔距2.0 m，總進尺3 210 m，幕體透水率小于5 Lu，其后設排水孔。

4.2.2 方案二：“4孔溢流表孔＋3孔泄流底孔”

大壩壩頂總長119.0 m，壩頂高程838.3 m，最大壩高段建基面高程806.0 m，最大壩高32.3 m。大壩由左、右岸擋水壩段和溢流壩段三部分組成。左岸擋水壩段長22.3 m，右岸擋水壩段長47.7 m。溢流壩段布置在兩岸擋水壩段中間，長49.0 m。擋水壩段壩頂高程838.3 m，壩頂寬4.5 m，上游壩面為豎直面，下游壩坡坡比1∶0.75。溢流壩段共設4孔溢流表孔，孔口凈寬10 m，堰頂高程825.0 m，堰面曲線及堰頂閘門布置與方案一相同。

根據泄洪排沙的要求，設3孔有壓泄流底孔，底孔斷面尺寸5 m×5 m，進口底板高程816.0 m。泄流底孔為壩身泄水孔，采用矩形壓力短洞，全長22.7 m，進口段9.0 m，洞身段長13.7 m，出口通過直線段、反弧段與溢流段消力池相連。泄流底孔進口底板水平，頂部和側面采用1/4橢圓曲線；出口段頂板設置壓坡段，邊坡比1∶8。泄流底孔進口前后設置檢修閘門和工作閘門各1道，各閘門啟閉設備布置于閘門頂部啟閉機平臺上。檢修閘門孔口寬5.0 m，高5.5 m。工作閘門孔口寬5.0 m，高5.0 m。泄流底孔進口底板高程816 m，檢修平臺高程832 m，啟閉機平臺高程840.1 m。

壩體細部結構及基礎處理方式與方案一相同。

4.2.3 兩方案比較

通過對方案一和方案二在樞紐工程的布置上可以看出，由于泄流底孔的泄流能力低于表孔溢流堰的泄流能力，在壩軸線位置、水文條件、工程地質條件、大壩泄洪能力完全相同的條件下，方案一校核洪水位為836.89 m，方案二校核洪水位為838.10 m。由于校核洪水位抬高，方案一在大壩總長、壩高、壩體工程量、庫區淹沒范圍、工程投資等方面全部小于方案二，其優勢明顯，故本階段設計選定方案一“溢流壩段6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”，將其作為樞紐工程布置的推薦方案。

5 結語

坪底供水工程是一項以城鎮生活和工業供水為主的供水工程。通過對坪底水庫工程等別和標準以及水庫樞紐工程總體布置的情況分析，確定了壩址、壩軸線及壩型的施工方案，尤其是對泄洪建筑物的“溢流壩段6孔溢流表孔＋1孔泄流底孔”布置方案進行重要論證與比選，從而為坪底水庫的開工建設奠定施工基礎和技術保障。