開茂水庫工程布置設計

楊光偉

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

開茂水庫工程位于四川省北川縣安昌鎮和永安鎮，工程自蘇寶河跨流域引水至何家溝，在何家溝興建水庫蓄水，主要由蘇寶河取水樞紐、引水工程、水庫樞紐、城市供水建筑、灌區渠系建筑等工程組成。開茂水庫正常蓄水位為608.00m，總庫容為2 453萬m3。開茂水庫的開發任務是向北川新縣城及周邊鄉鎮、安縣縣城生活供水和三個工業園區的生活、生產供水以及安江、安綿、安昌河灌區灌溉供水為主，兼顧灌區人畜供水要求。工程取水直灌區、控灌區幅員面積100.3km2，水庫控灌區幅員面積175.2km2。設計灌溉面積0.695萬hm2，渠系工程由安綿和安江干渠和8條支渠及1條補水支渠組成。

目前北川新縣城主要采用地下水，遠不能滿足生產生活需水要求，興建開茂水庫工程是解決北川新縣城、安縣縣城及周邊鄉鎮供水、使災民順利過上安居生活的先決條件，是新北川災后重建的重要組成部分。工程地處北川新縣城附近，建成后對保障生產生活用水、改善新縣城周邊生態景觀和建設好新北川發揮重要作用。

2 工程基本條件

2.1 水文泥沙

安昌河流域屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，干濕季節分明，多年平均年降水量為1 225.8 mm。安昌河系涪江的一級支流，發源于龍門山東麓，分為蘇寶河和茶坪河兩源，左源蘇寶河發源于安縣老廟子，干流全長約31.1km，流域面積約223km2，閘址控制集水面積188km2。何家溝系安昌河左岸一級支流，主源發源于安縣鷹咀巖，干流全長6km，集水面積9.1km2，水庫控制集水面積8.1km2。洪水主要由暴雨形成，該區暴雨具有雨量大、籠罩面小、歷時短的特點，主雨峰歷時一般在12小時以內。閘址引水入庫懸移質年輸沙量9.89萬t，水庫壩址懸移質年輸沙量0.69萬t，閘址推移質年平均輸沙量2.39萬t，壩址推移質約為0.207萬t。

2.2 基本地質條件

壩址區出露的基巖地層為灰質礫巖、紫紅色泥質粉砂巖和粉砂質泥巖。壩基河床覆蓋層厚度5～10m，局部最厚達15m；兩岸谷坡覆蓋層厚約5～10m，右岸為逆向坡，層面對邊坡穩定不具控制性，邊坡現狀整體穩定。

庫址區巖溶受地層巖性及地質結構的控制庫盆底部巖溶不發育，庫周巖溶發育具一定區段性、呈層性和方向性，在分水嶺地段發育垂直形態的落水洞，近溝谷的排泄區形成地下溶洞和水平管道。庫區兩岸地下水表現為向山脊兩側的溝谷排泄，壩段溝床因受非可溶巖層的阻隔，河面以下20m左右范圍，僅發育有風化溶蝕裂隙，未見順河方向的巖溶管道。

閘址區未發現規模較大的斷層，以裂隙及層間擠壓錯動帶為主。由于受地質歷史時期強烈地質構造影響，地層內小型褶皺十分發育，地層產狀變化大。閘址區兩岸邊坡穩定，閘基主要為砂卵礫石，滿足承載及變形要求，具備修建低閘的工程地質條件。引水隧洞段穿越礫巖及泥質粉砂巖或泥巖地層，巖溶較發育，圍巖類別以Ⅲ、Ⅳ為主。

輸水干渠穿越的地層(第四系)主要為：全新統坡殘積層(Q4dl+el)、全新統崩坡積層(Q4col+el)、全新統坡洪積層(Q4dl+pl)、全新統河流沖積層(Q4al)、中更新統Ⅲ、Ⅳ級階地堆積、白堊系下統劍閣組及劍門關組、侏羅系上統蓮花口組(J3l)。

工程區內沒有區域性斷裂通過，不具備發生中強地震的地震地質條件，地震危險性主要受龍門山地震帶的波及影響。閘址區及引水明渠段地震動峰值加速度為160.8gal，何家溝囤蓄水庫地震動峰值加速度為148.9gal，對應的地震基本烈度分別為Ⅶ度，灌渠輸水線路地震動峰值加速度為0.1g。

3 樞紐布置設計

3.1 工程等別及洪水標準

根據規范規定，開茂水庫工程和攔河取水工程均為Ⅲ等中型工程。其主要永久性建筑物為攔河閘壩、取水口、引水明渠及隧洞、開茂水庫主壩及副壩、溢洪道、放空洞、城市供水隧洞按3級設計，次要建筑物按4級設計，臨時建筑物按5級設計。

灌區工程為Ⅲ等(中型)工程，安綿和安江輸水干渠渠首設計流量分別為2.43m3/s、1.82m3/s，灌排渠(溝)工程為5級，輸(排)水渠道和渠系建筑物、次要及臨時建筑物按5級設計，渠道上的高大、重點建筑物按4級建筑物設計。

按供水工程考慮，因閘高不大、取水流量較小、右岸灘地過流能力大以及無重要保護對象等因素，攔河水閘設計洪水重現期取20年，洪水流量1 180m3/s。校核洪水重現期取50年，洪水流量1 530m3/s，最大過閘流量627.18m3/s，其余從右岸灘地溢流。因控制集雨面積不大，水庫樞紐建筑物設計洪水重現期取50年，洪水流量172m3/s，校核洪水重現期取1 000年，洪水流量295m3/s。消能防沖建筑物洪水重現期為30年，洪水流量152m3/s。灌區各級渠道工程建筑物防洪標準為10年一遇。

3.2 壩型選擇

取水樞紐擋水不高，河流推移質多，根據地形地質條件和功能需要，采用閘壩型式。

水庫壩區覆蓋層成因、結構較復雜，溝床覆蓋層厚度一般為5～10m，局部最厚為15m；左、右岸山脊頂部有高階地堆積的亞粘土(或粘土)與亞粘土夾卵礫石或粘土夾卵礫石的互層，厚度約15～20m。分布于右岸壩肩Ⅲ級階地平臺的肖家窩凼料場防滲土料儲量和質量滿足要求。何家溝石料場及吳家河壩、東升河壩、溫家河壩、紅巖河壩、紅旗河壩5個砂礫石料場的石料和砂礫石料儲量和質量滿足要求，根據壩址范圍地形地質條件和建筑材料分布情況，適宜布置當地材料壩。

壩址河床部位覆蓋層分層為粘土層和淤泥質軟土層，厚度5～10m，局部最厚15m左右，淤泥質軟土層厚2～7.5m，力學指標低，壩坡穩定分析表明，無論是面板壩還是心墻壩均需要把河床兩層覆蓋層清除。鋼筋混凝土面板堆石壩可以減小壩體斷面，壩體填筑工程量較少，但趾板對建基面要求較高，面板的造價比較高，導致心墻壩和面板壩投資接近；面板部位深基坑施工排水工程量大，基礎處理、趾板施工緊張，施工代價較高，心墻壩投資稍低，面板壩面板受力狀況復雜，心墻壩抗震性能較好，壩區防滲土料豐富，運距較近，綜合考慮選擇采用粘土心墻堆石壩。

3.3 主要建筑物布置設計

工程主要由蘇寶河取水樞紐、引水建筑物、開茂水庫建筑物和灌區建筑物四大部分組成。

3.3.1 取水樞紐

3.3.1.1 結構布置

閘址處主河槽靠左岸，根據河道地形條件和泄洪需要，在主河道上設置3孔泄洪閘，正常蓄水位622.00m，孔口尺寸為8m×3.5m(寬×高)，按盡量不改變原河道水、沙運動規律、順暢排沙的原則，確定閘底板高程為619.00m。根據閘前最高水位、安全超高等因素確定閘壩頂高程為628.80m。取水口緊鄰左側泄洪閘側向布置于閘前左岸(見圖1)。

由于河床覆蓋層較厚，閘基置于砂卵礫石層上。根據布置需要和結構穩定要求，閘室順水流方向長度15m，3孔泄洪閘沿閘軸線總長為34m，最大閘高12.3m，為適應基礎變形，每孔泄洪閘單獨設為一個閘段。閘室上游設置混凝土水平鋪蓋，鋪蓋表面采用抗磨混凝土。取水口前設一道束水墻，以加強泄洪沖沙效果，束水墻與左側的泄洪閘右閘墩相接，墻高6.5m。閘下游設斜坡式混凝土護坦，根據沖坑深度計算成果末端設6m深防沖齒槽。為過閘泥沙能夠順利排向下游，護坦與右岸灘地間設擋墻分隔，墻高5m。

3.3.1.2 右岸灘地疏浚整治

右岸為寬闊的河漫灘，一般高出河水位約4～6m，高于閘前正常擋水高程，為了彌補左岸修建3孔泄洪閘后對原河道行洪斷面的影響，滿足設計洪水工況下不會淹沒右岸省道公路，需對右岸河漫灘進行疏浚整治。根據正常擋水需要及滿足行洪能力要求確定開挖底高程為622.00m，頂面采用50cm、15m長的混凝土板對過流面進行防護，其上游10m和下游45m范圍內采用50cm厚鋼筋石籠對開挖面進行保護。最大下泄流速2.3m/s，超過了河床不沖流速，采用2m厚鋼筋石籠護底和護閘墩邊墻基礎。

圖1 取水樞紐平面布置示意

3.3.1.3 基礎防滲處理

閘基第四系地層廣布，厚度大、透水性強。根據閘基礎及兩岸滲透特性以及水工建筑物的布置情況，按滿足基礎滲透穩定、減小閘基及岸邊繞壩滲漏量的原則進行防滲設計。閘基的防滲體系為水平防滲加垂直防滲方案，為滿足一個枯期施工進度要求，閘基防滲墻布置在閘前鋪蓋下方，右岸灘地防滲采用垂直防滲方案。

閘基采用防滲鋪蓋結合混凝土防滲墻方案防滲，為控制閘基和右岸灘地滲漏量，采用懸掛式混凝土防滲墻防滲，右側延伸至岸邊公路外側，墻頂高程與正常擋水高程相同，防滲墻最大深度為30m，防滲墻底線高程為592.00m。滲流計算成果表明覆蓋層(砂卵礫石)平均坡降、閘底最大接觸坡降、最大出溢坡降、防滲墻底部最大坡降均小于允許滲透坡降，閘基滲流量在合理范圍內。

3.3.2 引水建筑物

引水建筑物由引水明渠和引水隧洞組成，布置在蘇寶河左岸，明渠結合地形條件，于進水閘后沿大蘭堰至樁號1+246m處設置陡坡暗渠段，其后采用明渠通過爛田壩，在鷹咀巖處接引水隧洞，引水建筑物全長6.86km。

取水口攔污柵閘寬度按引用流量及過柵流速確定為1孔，孔寬3m，閘底板高程620.30m。進水閘室長5m，內設一檢修工作閘門，以方便檢修引水渠及洪水期擋水。引水明渠過水斷面為梯形，長約4.29km，渠首設置沉沙池，明渠設置兩處倒虹管穿越已有排洪渠道，明渠末端設節制閘和泄洪閘，向蘇寶河泄水，以檢修引水明渠和引水隧洞。引水過引水隧洞由何家溝進入水庫，隧洞長約2.57km，進、出口底高程為611.20m、609.49m，斷面采用無壓城門洞型，底寬2m，高2.5m，隧洞末端設置節制閘、分水閘，向高灌區和水庫供水。

3.3.3 水庫建筑物

3.3.3.1 結構布置

開茂水庫建筑物由大壩、溢洪道、放空洞、供水洞、副壩等組成。主壩采用粘土心墻堆石壩，壩頂長357.35 m。受地形條件控制，庫區存在5處低于正常蓄水位的低矮埡口，設置副壩共同攔蓄庫水。

主壩壩頂高程612.00m，建基面高程556.00m，最大高度56m，心墻頂寬為3m，頂高程為611.00m，底寬為30.7m。心墻上、下游設反濾層，反濾層與堆石區之間設置過渡區。為避免心墻和建基面的接觸沖刷，底部設置60cm厚混凝土蓋板，對河床及兩岸心墻處強風化基巖進行固結灌漿。為方便統一施工，副壩結構形式和布置原則與主壩相同，為粘土心墻堆石壩(見圖2)。

圖2 堆石壩斷面示意

放空洞、溢洪道布置在主壩左岸。放空洞由取水口、有壓盲段、豎井閘室段、無壓洞段、出口消能段組成，軸線為直線，閘門采用豎井式，總長約334.26m，進口底板高程578.50m，閘門豎井前段為有壓盲洞段，洞徑2m，長77.5m，豎井后接無壓隧洞段，城門洞型，洞段長217.763m，斷面底寬2.5m，高3.5m。出口采用底流消能。溢洪道為開敞式寬頂堰溢洪道，布置在主壩左岸，由引水渠、控制段、明渠泄槽、泄槽擴散段、底流消力池組成，軸線為直線，總長約266.82m，堰頂高程608.00m，進口寬度6m，控制段長12m；控制段后接緩坡明渠泄槽段，泄槽首端漸變段長10m，寬度由6m漸變為4m，緩坡段長約133.5m，陡坡段長約93.8m。下游最大流速約20.20m/s，陡坡泄槽段末端與出口底流消能段相接，底流消力池底板高程570.00m，池長17.5m，寬8m，尾坎頂高程570.70m，消力池基礎置于基巖上，池尾設防沖齒槽, 齒槽后拋填大塊石防淘刷。

根據城市供水和灌溉用水的需要，布置一條供水隧洞，隧洞呈直線布置，總長255.324m。供水隧洞由進口攔污柵、有壓段、閘門豎井段、洞內式消力池無壓洞段和明渠段等組成。根據死水位、供水高程、供水最低保證流量確定供水隧洞高程為583.00m，出口與城市供水接口和灌區引水渠相接。進口到閘門豎井段為有壓盲段，洞徑2m，長63m，豎井后經漸變段接洞內挖深式消力池，尺寸2m×3.5m(寬×高)，漸變段長5m；消力池長20m，底板高程581.617m，深50cm，池后接無壓隧洞，無壓段長57.804m，城門洞型，斷面底寬2m，高2.5m。

3.3.3.2 庫壩區防滲處理

主、副壩基礎及兩岸山脊采用帷幕灌漿防滲，根據庫周防滲線位置地層結構特點及建筑物級別，帷幕灌漿設計標準按5～10Lu設計，帷幕底部深入透水率為5Lu的微新巖體內5m。主、副壩防滲帷幕與左右岸山脊防滲帷幕形成完整的防滲體系。庫區防滲帷幕總長約3 300m，帷幕深度主要在20～40m間，最大帷幕深度約82m，巖溶發育的局部地段采用兩排帷幕灌漿，排距1.5m，間距2m，淺幕采用主幕設計深度的1/2，其余采用單排帷幕灌漿處理。

主要采用了物探、探洞和鉆孔等方式對防滲線上的滲漏通道進行查找和揭示。對具有連通性的溶洞，采用粘土鋪蓋或混凝土塞封堵洞口。帷幕線位置的巖溶通道，在帷幕灌漿前采用細石混凝土對通道灌注堵塞，同時進行帷幕灌漿處理。

3.3.4 灌區建筑物

灌區主要涉及北川、安縣、江油和涪城等四市縣區，耕地主要分布在安昌河兩岸610.00m以下。根據灌區地形地質條件、耕地分布以及渠系布置原則，推薦高、低灌區分散供水的水源方案，直灌區設計灌面0.287萬hm2，其中高灌區0.266萬hm2，由引水渠和安江干渠自流控灌，同時向已成八一水庫補水，低灌區設計灌面0.409萬hm2，由安綿干渠和紅巖支渠控灌，水源為水庫囤蓄水量。渠系工程由2條干渠、9條支渠組成，2條干渠總長41 187m，9條支渠總長63 931m，其中明渠長67 875m，暗渠23段，長3 157m，隧洞59座，長27 101m，渡槽39座，長5 374m，倒虹吸管2座，平距長1 111m，在陳村支渠進口段設置陡坡1處，平距長500m。

3.4 安全監測

結合本工程的特點和規模等級，監測項目和內容應能及時、可靠合理的反映樞紐建筑物的工作狀態，儀器監測與人工巡視檢查相結合，主要和重點監測項目采用自動化程度較高的監測儀器、設備實現自動化監測，以便更好和及時掌握建筑物的安全狀況并提供可靠的監測數據。

閘壩以泄洪閘為主要監測對象，對閘基順河向的滲壓、上下游水位采用遙測水位計進行監測，對下游繞滲地下水位采用測壓孔加滲壓計進行監測。水庫主壩作為樞紐建筑物的重點監測對象，對壩體位移、壩基滲透壓力、滲流量、繞壩滲流、上下游水位、氣溫和降水等進行監測，壩體表面水平和垂直位移采用外觀精密測量和GPS方式進行監測。對明渠、隧洞等其他建筑物采取常規監測并輔以人工巡視方式實時和連續監測。

4 結束語

受地形地質條件和水系分布限制，工程場址選擇受到限制，本工程從水量相對充足的蘇寶河引水至鄰近流域的何家溝開茂村建庫蓄水，工程區內巖溶發育；受5.12地震影響，工程區巖溶水文地質可能會出現變化。因此繼續深入開展一些查驗和研究工作是必要的：如工程實施前根據料場情況和壩址地質條件對壩型進一步比較，在現有地勘工作的基礎上對巖溶的分布、連通性進一步深入研究，在施工期根據揭示出露情況可對防滲設計方案進行適當的優化調整。在工程實施前對巖溶水文進一步查驗，對該地區可溶性巖區域的喀斯特水的形成、賦存、運移和排泄規律等水文現象及其規律性進行深入研究。對取水河段來水量進行觀測，對地震前后的徑流進行對比分析。