登封市水磨灣水庫壩型比選方案研究

張 藝，劉蘭勤，曹 捷

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州450016）

1 工程概況

水磨灣水庫位于河南省登封市石道鄉后河上，后河屬于淮河流域潁河一級支流。水磨灣水庫的工程任務是：以城鎮生活供水為主，兼顧灌溉、生態改善且具有一定防洪效益。水庫工程規模為小（1）型，最大壩高43.43 m，校核洪水位450.42 m，總庫容935萬m3，正常蓄水位445.00 m，興利庫容546萬m3。

2 水文地質條件

工程場區氣溫在-15.1℃～40.5℃之間，多年平均氣溫14.2℃，相對濕度60%，年平均日照2275 h。多年平均風速14.5 m/s，最大風速20 m/s，根據資料統計，登封市多年平均降水量為664.2 mm，多年平均水面蒸發量為960 mm，多年平均陸面蒸發量為500 mm，多年平均徑流深為125 mm。

擬建壩址屬丘陵區，河流兩岸山頂高程450 m～460 m，右岸山勢陡峭，左岸呈緩坡狀相接。壩址處河床寬度約50 m。

場區地層巖性兩岸壩基均為黑云母斜長花崗巖，兩岸山坡局部分布有第四系上更新統黃土狀重粉質壤土，河槽分布有第四系全新統卵石層。

3 壩型比選

3.1 壩型初選

根據國內外水庫修建經驗，混凝土拱壩對地形地質條件要求較高，適合在河谷狹窄、山體雄厚的壩址處修筑。從本工程壩址處河道地形條件分析，壩址區河道形狀為“V”型，河道較寬，左右岸地形條件差異較大，因此，不適宜采用混凝土拱壩方案。

根據工程場區的地形條件和地層結構，壩基弱風化花崗巖埋藏較淺，具備修建混凝土重力壩的條件；且壩址左岸為全風化基巖，開挖后可作為大壩填筑用料，工程場區交通便利，方便天然建筑材料運輸，也適宜修建當地材料壩。綜上述分析，選擇碾壓混凝土重力壩和粘土心墻砂殼壩兩種壩型進行方案比選。兩種比選方案主要特征指標見表1。

表1 壩型比選方案主要設計指標

3.2 碾壓混凝土重力壩

通過計算波浪爬高，考慮安全超高，碾壓混凝土重力壩方案壩頂高程為451.43 m，壩頂寬度為6.0 m，大壩總長381.0 m，建基面高程408.0 m。

碾壓混凝土重力壩方案共分為19個壩段，其中左岸1#～10#、右岸13#～19#為擋水壩段，河槽處11#、12#為溢流壩段。溢流壩段長40 m，其中溢流面凈長36 m，溢流面堰頂高程與正常蓄水位齊平，為445.5 m，下游坡度為1∶0.75，末端設半徑15 m的反弧挑流鼻坎。擋水壩段總長341 m，上游面鉛直，在423.80 m以下設1∶0.15斜坡，下游壩坡1∶0.75，壩體材料采用碾壓混凝土。10#壩段底部布置放空排沙底孔，設計為有壓進口，無壓洞身。10#壩段底部425.0 m處布置有引水管，采用壩內埋管布置。為滿足施工期導流要求，在大壩13＃壩段設導流底孔。

在大壩內413.0 m高程設置灌漿排水廊道，內設觀測設施。基礎采用帷幕灌漿防滲，滲流控制標準按不大于5 Lu控制。在大壩前踵、后趾處布設固結灌漿，梅花形布孔。

3.3 粘土心墻壩

粘土心墻砂殼壩方案由大壩、溢洪道、輸水洞等部位組成。

（1）大壩

大壩垂直于河槽布置，為粘土心墻砂殼壩，總長423 m。根據波浪爬高和風浪壅高計算，考慮安全超高后，壩頂高程為451.60 m，防浪墻頂高程452.80 m。壩頂采用瀝青混凝土路面，寬6 m。

大壩上游設4級邊坡，依次為1∶2.25、1∶2.50、1∶2.75、1∶2.75，采用22 cm厚C25混凝土連鎖塊防護；大壩下游設4級邊坡，依次為1∶2.00、1∶2.25、1∶2.50、1∶2.75，采用10 cm厚混凝土預制塊護坡。

粘土心墻頂部高程451.00 m，寬3.0 m，坡比為1∶0.5。采用大壩左岸溢洪道全風化開挖料填筑壩殼。

（2）溢洪道

溢洪道位于左岸，形式為無閘門控制的開敞結構，總長445.71 m，堰頂高程445.50 m，過水斷面凈寬40.0 m，最大挖深12.90 m。由進口段、控制段、出口消能段等部位組成。

（3）輸水洞

輸水洞為布置在右岸，總長364.5 m，由進口段引渠、閘室，洞身和出口調流調壓閥室等部位組成。

進口段包括50 m長的引水渠段和12.50 m長的新建啟閉塔，進口設工作閘門和檢修門和攔污柵各一扇。

洞身段為有壓圓洞，最大輸水流量為7.2 m3/s，采用0.3 m厚C25鋼筋混凝土襯砌。

3.4 方案比較

對碾壓混凝土重力壩、粘土心墻砂殼壩兩種壩型方案從地形地質條件、建筑物布置、施工條件、建筑材料、運管要求和投資造價六個方面進行對比。

（1）地形、地質條件

河槽段和右岸壩基弱-微風化層埋深較淺，清基工作量不大；左岸部分大壩坐落于全風化基巖，但該范圍大壩較低，平均高度5 m，對壩基承載力要求較小。根據工程場區地質條件，壩址處基巖條件較好，具備修建重力壩的條件。

粘土心墻砂殼壩方案清基量較少，河床覆蓋層厚度很薄，基巖主要為黑云母斜長花崗巖。溢洪道布置在大壩左岸，左壩肩山頂高程約460.9 m，巖石出露，需開挖至445 m高程，開挖深度較大。溢洪道開挖得到的全風化巖體可以作為大壩壩殼料進行填筑，輸水洞布置在右壩肩。

根據工程場區地形地質條件，碾壓混凝土重力壩和粘土心墻砂殼壩方案均具備建壩條件。

（2）建筑物布置

碾壓混凝土重力壩方案通過設置溢流壩段，以宣泄上游洪水，結合大壩工程任務，在擋水壩段設置放空排沙底孔，無需單獨設置溢洪道、輸水洞等建筑物，整體布置更顯緊湊；粘土心墻砂殼壩方案建筑物布置較為分散，除大壩外，還需在左岸設置溢洪道，在右岸布設輸水洞，此外還需考慮施工導流的問題，因此，在建筑物布置方面，碾壓混凝土重力壩優于粘土心墻砂殼壩。

（3）工程施工條件及施工工期

相較常規混凝土壩而言，碾壓混凝土重力壩采用通倉鋪筑碾壓，施工速度較快。施工導流方面，在壩體內設置導流底孔，從而減小圍堰的工程量，也無需單獨設置導流洞，施工較為方便；粘土心墻砂殼壩方案心墻粘土需外購，壩殼可利用溢洪道開挖料填筑，大壩上游護坡、壩體砂殼、防滲心墻之間均需設置反濾料，相對均質土壩而言，心墻壩壩體分區較復雜，各分區之間結合部位對施工質量要求較高，如采用粘土心墻砂殼壩方案，需單獨設置導流洞，從而增加施工導流工程量。

從施工條件方面看，碾壓混凝土重力壩方案優于粘土心墻壩方案。

（4）建筑材料

碾壓混凝土重力壩方案需將開挖料進行二次加工、破碎，以滿足部分骨料要求，大部分骨料需外購，水泥用量也較大，不利于環境保護，為減小水泥的散熱，還需大量添加粉煤灰；粘土心墻壩方案心墻需從土料場外購，壩殼料可利用溢洪道開挖料填筑，剩余壩殼料需外購。

對比兩方案建筑材料方面，粘土心墻壩方案優于碾壓混凝土重力壩方案。

（5）運管要求

碾壓混凝土重力壩方案無溢洪道、輸水洞等單體建筑物，水庫泄洪采用無閘門控制的溢流壩段泄洪，無需過多的控制管理，運行維護也較為簡便；粘土心墻砂殼壩方案除大壩外，還有溢洪道、輸水洞等單體建筑物，且各建筑物之間距離也較遠，整體布置不緊湊，運行管理相對復雜。

對比兩方案運管要求上，碾壓混凝土壩方案由于粘土心墻砂殼壩方案。

（6）投資造價

碾壓混凝土壩方案工程投資16720萬元，征遷、水保、環保投資14807萬元，總投資31527萬元；粘土心墻壩方案工程投資17855萬元，征遷、水保、環保投資15314萬元，總投資33169萬元。

投資造價對比，碾壓混凝土重力壩方案較粘土心墻壩方案節省1642萬元。

4 結論

通過對地形和地質、建筑物布置、施工條件、建筑材料、運管要求和投資造價等方面進行比較，碾壓混凝土重力壩方案在建筑物布置、施工條件、運管要求、投資造價等方面均占優，粘土心墻壩方案可利用溢洪道開挖料筑壩，在建筑材料方面占優，綜合考慮，認為本工程中碾壓混凝土重力壩優于粘土心墻壩。