四方井水利枢纽工程坝线坝型方案比选

吴 平，吴学林，郑文晓

(江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029)

1 工程概况

四方井水利枢纽工程[1- 2]位于江西省宜春市袁州区湖田乡境内，距宜春市区约7km，是一座以防洪、供水为主，兼顾发电等综合效益的大(2)型水利枢纽。坝址以上控制流域面积约173km2，工程正常蓄水位152.00m(黄海高程，下同)，设计洪水位(P=1%)153.93m，校核洪水位(P=0.05%)154.38m，水库总库容约1.1861亿m3。电站总装机容量1500kW，水库向宜春市年平均日供水量为30.9×104t。枢纽工程主要建筑物有拦河坝、副坝、输水发电隧洞、发电厂房、溢洪道、供水建筑物等。主坝为2级建筑物，采用100年一遇洪水标准设计，2000年一遇洪水标准校核。工程区场地基本烈度低于6度，本工程主要建筑物按基本烈度设防。

大坝选址位于温汤河下游的湖田乡坪田村斫洲里河段，温汤河主流与仙巩河支流汇合后进入斫洲里河段，此河段总长约1.6km，呈两头窄、中间宽形态。水库库区地貌单元以构造剥蚀低山和河流侵蚀堆积地貌为主，两岸地形不甚对称，河床一带局部基岩裸露，地质条件复杂，坝线及坝型的确定是该工程设计的一个难题。

2 主坝轴线比选

本阶段拟定上、下两条坝线进行比选，上坝线与坝址两岸地形近乎垂直，下坝线与温汤河流向几近垂直。两坝线共用右岸山体，将下坝线左岸坝肩向上游偏移约190m至上游一山头，形成上坝线。上、下坝线平均距离约105m。

2.1 上坝线地形地质条件

上坝轴线两岸地形对称性差，山体平均坡度约38°。坝轴线上游65m处、下游83m处各发育有较大的深切冲沟，坝轴线距上下游冲沟较近，地形完整性较差。右岸山体单薄，西、南、北三侧临河(沟)谷，坝轴线上游220m处为鸟山大冲沟，下游160m、400m处各发育有较大的深切冲沟。正常蓄水位152.00m时，上坝轴线河谷宽度295m。

坝址区位于武功山复背斜北翼，受强烈的构造挤压作用，发育多条断层及个别小型褶曲，岩体节理裂隙亦较发育。受构造挤压、风化及溶滤作用影响，坝区石炭系及侏罗系岩体的中上部不同程度地发育有不同类型的构造软弱夹层，构成坝区岩体工程地质条件的主要薄弱环节。断层、构造软弱夹层力学强度和变形模量较低，对坝基岩体的抗滑稳定性及变形均不利[3]。

上坝线钻孔岩溶率为1.93%，钻孔遇洞率为30.0%，岩溶发育程度为弱，属构造带岩溶，其发育及分布受断层构造控制，溶洞洞高为0.10～4.34m，埋深为7.60～33.91m，溶洞最大埋深处对应的底板高程为77.76m，埋深较浅对土石坝坝基稳定影响较大。

上坝线断层或其影响带、溶洞发育处风化较强且厚度较大。全、强风化带一般分布在两侧岸坡，河床及Ⅰ级阶地底部受水流冲刷等作用，基本无全强风化岩体保留。左侧岸坡表层全强风化层厚于右侧，这主要是由左侧岸坡地形完整性较差，两岸岩性亦不同所致，左侧岸坡弱风化上部下限埋深与右侧基本相当。左侧岸坡全、强、弱上风化下限平均埋深分别为6.25、12.01、22.20m；右侧岸坡基本无全风化，强、弱上风化下限平均埋深分别为9.83、22.40m；河床及Ⅰ级阶地弱上风化下限埋深平均为15.06m，断层或溶洞处达42.1～47.3m。

左侧坝肩地下水高程为145.81m，右坝肩地下水高程为122.69～134.26m，均低于正常蓄水位。坝基相对隔水层顶板埋深：左岸为12.9～26.9m，平均19.9m；河床及Ⅰ级阶地一般为22.80～34.45m，平均28.6m；断层破碎带及其影响带一般为39.2m；右岸一般为25.1～50.9m，平均38.0m。较高的地下水位没可能破坏和侵蚀地下基础工程，影响建筑物使用年限[4]。

2.2 下坝轴线工程地质条件

下坝线左岸山体较雄厚，山体平均坡度为35°～40°，坝轴线上游80、220m处，下游280m处各发育有较大的深切冲沟，距离坝轴线较远，地形完整性较好。右岸山体单薄，西、南、北三侧临河(沟)谷，坝轴线上游240m处为鸟山大冲沟，下游140、380m处各发育有较大的深切冲沟。正常蓄水位152.00m时，下坝轴线河谷宽度为316m。

下坝线岩溶率为1.88%，钻孔遇洞率为18.2%，岩溶发育程度为弱，属构造带岩溶，其发育及分布受断层构造控制，分布范围较小。溶洞洞高为0.10～4.34m，埋深为19.40～33.91m，溶洞最大埋深处对应的底板高程为77.76m，埋深较深对土石坝坝基稳定影响较小[5]。

下坝线岩体风化规律与上坝线相似，风化程度略低于上坝线。全、强风化带一般分布在两侧岸坡，河床及Ⅰ级阶地底部基本无全强风化岩体。左侧岸坡表层全强风化层厚于右侧，左侧岸坡弱风化下部下限埋藏浅于右侧，主要是由于右侧山体单薄且构造发育。左侧岸坡全、强、弱上风化下限平均埋深分别为3.53、11.18、19.60m；右侧岸坡多无全风化，强、弱上风化下限埋深分别平均为12.13、19.2m；河床及Ⅰ级阶地弱上风化下限埋深平均为12.78m。

2.3 坝轴线选择

坝轴线的选择主要考虑地形地质条件对工程安全的影响[6- 7]。就本工程而言，上、下坝轴线均具备修建土石坝的地质条件，存在的地质问题均可进行处理。然而，上坝轴线左岸山体较下坝轴线左岸山体单薄，且上坝轴线距上下游冲沟距离较近，地形完整性较差，导致上坝轴线左岸山体岩体风化程度较深。左侧岸坡分布的强风化千枚岩、千枚状变质砂岩，右侧岸坡分布的含炭粉砂及断层破碎带存在渗透稳定问题。两坝轴线岩溶发育程度均较弱，但上坝轴线钻孔岩溶率及钻孔遇洞率均高于下坝轴线，同时上坝线岩溶埋深较下坝线浅。下坝轴线在地形地貌、岩体风化及岩溶发育特征等地质条件上均优于上坝线，使得下坝线在建基面埋深及绕坝渗漏问题等方面亦优于上坝线[8]。综合区内地形、地质条件，下坝线建坝条件略优于上坝轴线，故选定下坝线作为推荐坝线。

3 主坝坝型比选

根据下坝线地形地质条件及当地天然建筑材料分布、质量、储量及开采运输条件等，对坝型进行进一步比选。由于两岸山体较为单薄，岩体质量一般，且在坝基及右坝肩存在次生软弱夹层，坝址位于宜春中心附近，大面积黏土土料场征地困难，且对环境造成较大影响，不具备建拱坝和均质土坝的条件。坝基地层岩性为震旦系千枚状变质砂岩夹千枚岩等，强度和抗变形能力差，同时受断层影响，坝基岩体破碎，加之石炭系及侏罗系地层中发育多条构造软弱夹层，对重力坝坝基变形及抗滑稳定均不利，地基处理工程量较大，投资较高。因此，拟采用黏土心墙坝、沥青混凝土心墙坝及混凝土面板堆石坝三种坝型进行比选。

3.1 坝型及布置方案

枢纽布置格局为主河床布置主坝，发电厂房及供水管线布置于右岸坝下游300m处，为地面厂房，电站进水口布置于右岸山头，岸塔式布置，隧洞引水。溢洪道布置于右坝肩垭口处。

主坝按100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核，相应坝前最高水位分别为153.93m和154.38m。根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》[9]有关规定，坝顶高程为水库静水位与坝顶超高之和，按设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高情况与校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高情况取较大值。通过计算，取坝顶高程为155.80m，防浪墙墙顶高程为157.00m。

3.1.1黏土心墙坝

黏土心墙坝河床建基面高程104.50m，最大坝高51.30m，坝顶宽度8.0m，坝顶上游侧设置高1.2m的防浪墙，坝顶总长338m。心墙防渗体上下游面坡比相同，均为1∶0.25，心墙上下游侧设置3.0m宽反滤层。大坝上游坝坡坡比1∶1.8，采用格宾石笼护坡；下游坡比1∶2.2，采用TBS(植被绿化)护坡，在116.50m高程处设棱体排水平台。大坝坝体主要分堆石1区、堆石2区及黏土心墙，心墙基础设置帷幕灌浆和C25混凝土基础。

3.1.2沥青混凝土心墙坝

沥青混凝土心墙坝河床建基面高程104.50m，最大坝高51.30m，坝顶宽度8.0m，坝顶总长338m。沥青混凝土心墙厚度为0.6m，心墙两侧过渡层水平宽度3.0m。大坝上游坝坡坡比1∶1.8，采用格宾石笼护坡；下游坡比1∶2.2，采用TBS护坡，在下游116.5m处设置堆石棱体排水。大坝坝体主要分堆石1区、堆石2区及黏土心墙，心墙基础设置帷幕灌浆和C25混凝土基础。

3.1.3混凝土面板堆石坝

面板堆石坝堆石区以强风化岩体作为建基面。趾板区左侧岸坡以强风化中下部作为建基面，右侧岸坡中下部以弱风化上部作为建基面，右侧岸坡上部以强风化中下部作为建基面，河床及Ⅰ级阶地区域以弱风化上部岩体作为建基面。根据河床段趾板基础地质条件，拟定河床建基面高程103.00m。坝体最大坝高52.80m，坝顶长度335.0m，坝顶宽8.0m，坝底宽约151.36m。钢筋混凝土面板顶高程153.70m，面板厚30～60cm，每块面板宽度10.0m。垫层料和过渡料水平宽度分别为3.0m和4.0m。混凝土趾板宽4.0～7.0m，厚度为1.0m。大坝上下游边坡坡比均为1∶1.4。

3.2 工程量及投资

黏土心墙坝、沥青混凝土心墙坝及面板堆石坝的工程量见表1。

从表1中可看出，面板堆石坝虽不用填筑心墙，但在坝体堆石、土方开挖、帷幕灌浆等工作量上均远大于黏土心墙坝和沥青混凝土心墙坝，因此其工程总投资也是最高，为145515万元。黏土心墙坝和沥青混凝土心墙坝工程量相差不大，二者投资分别为141857万元及142564万元。

表1 各坝型主体工程量

3.3 坝型选择

下坝线的地形地质条件及天然建筑材料条件修建黏土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝和沥青混凝土心墙坝三种坝型均可行，基本无制约条件。

从坝型结构条件来看，黏土心墙坝对地质条件要求低，开挖料可直接用于筑坝，但需从距坝址约5.2km料场处开采黏土作防渗料；沥青混凝土心墙坝对地质条件要求低，同时，天气对大坝填筑影响较小[10]，但沥青混凝土作为心墙的费用较高；混凝土面板堆石坝可就近取料，但堆石料场料源呈层状不均匀分布，分层开采难度大，开挖料的利用量较黏土心墙堆石坝、沥青混凝土心墙坝少，且趾板区内存在的构造软弱夹层、岩溶、大断层均需专门处理，防渗处理工程量大。

从施工条件方面来看，三种坝型均可采用机械化施工，施工速度快且施工质量稳定[11]。黏土心墙坝对黏土料需求量较大，根据勘测，清沙湾土料场防渗料储量为45万m3，能够满足要求。沥青混凝土心墙的施工需增加沥青混凝土拌合系统和专用的轻型碾压设备，碾压温度需严格控制，程序较为复杂。面板堆石坝由于坝址河谷狭窄，两岸陡峻，边坡开挖设计线路较长，且边坡位于卸荷带内，开挖边坡稳定性差，施工难度较大[12]。

从工程量及投资来看，黏土心墙坝、沥青混凝土心墙坝工程量及投资均相差不大，面板堆石坝由于开挖料利用率较低及趾板区的软弱夹层、岩溶等问题，土方开挖量及防渗处理工程量大，工程投资也较大。

综合对比三种坝型的地质条件、施工条件及工程投资，选择黏土心墙坝为推荐方案。

4 结语

四方井水利枢纽工程是国家规划“十二五”和“十三五”期间分步建设的172项重大水利工程项目之一[13]，工程建成后将成为宜春市居民的主要饮用水水源地，可发挥出巨大的防洪效益、民生效益及生态效益。

作为枢纽工程主体的主坝工程，坝线及坝型选择关系到工程的整体安全性，在考虑大坝安全运行的同时兼顾工程建设的经济性，需同时对比分析工程区地形地质条件、坝体安全、施工条件及工程投资等方面，综合确定。

本工程通过综合分析工程区地形地质条件、坝体安全、施工条件及工程投资等方面，选择下坝线方案为推荐坝线，黏土心墙坝为推荐坝型。