九龙潭水库主要建筑物选型方案比较

王成全

(南充市水旱灾害防御中心，四川 南充，637000)

1 工程概况

西充县地处嘉陵江和涪江的分水岭，城区无大的河流经过，水资源十分匮乏，是一个严重的缺水性县城，为解决制约当地发展的缺水问题，拟修建九龙潭水库枢纽工程。根据当地经济和社会发展状况以及区域水利设施情况，确定九龙潭水库工程的主要开发任务是以城镇供水为主，兼有部分防洪作用的中型水库。通过项目建设，可保证西充县城市工业及生活用水，解决常林、多扶及附近村镇的人畜饮水问题。由于水库自身集雨面积较小，九龙潭水库水源主要依靠附近的升钟水库西南分干渠向库内补水(规划修建的西南分干渠预留此功能)，只需在西南分干渠上增设节制闸和分水闸，待升钟灌区灌溉初期和末期分别为水库补水，以满足水库用水需要。经论证，汛期可将渠道上的节制闸关闭，打开泄水闸，将渠道内的全部洪水引入水库，不仅有利于渠道和西充县城的防洪安全，而且还可利用当地径流蓄水，有效利用水资源，还可减小升钟水库西南分干渠对西充县城安全的威胁和原河道洪水对212国道冲毁的安全隐患。同时在西充县城附近形成一个约90.5万m2的水域面积，可以改善局部区域生态，带动周边社会经济发展。

九龙潭水库是一座以城镇供水为主，兼有部分防洪作用的中型水库，水库死水位由向县城供水的抽水泵站最低吸水高程、水库库尾地面高程及水库自身淤积等因素控制。根据县城供水需求，为了尽量减小水库死库容，减少取水设施长度，同时确保取水水质等要求，经分析比较后，确定水库死水位为354.00m，相应死库容为166万m3。通过调洪计算，确定水库正常水位372.7m、相应库容为1351.1万m3，设计洪水位373.02m、相应库容为1388.4万m3，校核洪水位373.20m、总库容为1395.9万m3。按照《防洪标准》(GB 50201)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252)，九龙潭水库为中型水库，枢纽工程等级为Ⅲ等，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。设计洪水标准采用50年一遇(p=2%)，校核洪水标准采用1000年一遇(p=0.1%)，消能防冲标准采用30年一遇(p=3.33﹪)。

2 水文地质条件

九龙潭水库坝址所在河流为多扶河上游的二级支沟，控制集水面积1.73km2，主河道长1.683km，河床平均比降25.5‰。库区多年平均气温17.3℃，极端最高气温40.3℃，最低气温-3℃，多年平均降水量949.2mm，年最大降水量1343.4mm，年最小降水量458.8mm，多年平均蒸发量1078.1mm，多年平均风速1.5m/s，实测最大风速18.4m/s。水库工区位于川中盆地的浅丘地区，地处嘉陵江、涪江的脊骨地带，属于构造剥蚀地貌和侵蚀堆积地貌。地质整体较为稳定，部分山脊、山顶、山口和陡坡风化强烈，岩石强风带厚度8m～13m，弱风化带厚度8m～12m。在山谷或宽阔平缓的平台上风化作用相对降低，强风化岩带厚度3m～6m，弱风化带厚度为6m～8m。施工范围内表露以砂质泥岩、薄层砂岩为主，砂质泥岩为软质岩石，抗风化能力弱，风化带较厚。区内地下水均为潜水，按其赋存条件可分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。

水库两岸边坡地形较陡，一般为25°～55°，库岸均属岩质边坡，边坡岩石为J3P砂质泥岩夹砂岩、泥质粉砂岩薄层或透镜体，受南充背斜的控制，两岸岩层近于水平，库盆主要为弱透水或相对隔水的砂质泥岩夹砂岩、无产生溶洞、洞穴等集中渗漏通道的地质条件，库区无横穿分水岭或通向库外的宽大断层，综合分析九龙潭水库库区岸坡整体较为稳定，水库蓄水后不存在永久性渗漏问题。

3 水库选址

3.1 选址原则

水库工程选址原则：(1)与工程功能相匹配，输配水距离最短；(2)地形、地质条件满足建坝要求；(3)建筑材料丰富，运距较近；(4)淹没和占地拆迁较少；(5)工程建设对环境造成的不利影响较小；(6)有利于工程的建设管理；(7)工程投资较少。

3.2 水库位置

根据以上原则，通过比较选定水库枢纽位于西充县晋城镇境内，县城中心东南方向，多扶河上游张家沟和杜家沟出口处，大坝在西充县城至南充方向2.5km处。该处地形、地质条件满足建坝要求，库尾离县城拟建自来水厂400m，升钟水库西南分干渠位于库尾，引水方便。

3.3 坝轴线选择及工程总布置[1-2]

根据地形地质条件、工程供水需求及水工建筑物特点等要求，选择拟定上、下两坝址进行枢纽布置方案比较，两坝址相距约325m左右。根据地形地质、水文等条件进行比较，确定坝轴线位置。

(1)地形地质条件。从选择的两个坝址的地形地质条件看，上、下两个坝址地质条件相近均满足建坝要求。从地形上看，上坝址主坝长度虽比下坝址方案短，但上坝址左坝肩垭口地面较低，需修建143m长的副坝，而下坝址方案建一个主坝就能满足蓄水要求。

(2)水文条件：根据水文、水能计算成果，上坝址因库区地形限制，水库有效库容不满足供水要求，而下坝址多增加了一条支沟，同样水位条件下，水库库容满足供水要求，因此选定下坝址(大方案)作为九龙潭水库坝址。

4 主要建筑物选型比较

4.1 坝型选择

大坝位于西充县城至南充方向2.5km的晋城镇五村龙门桥，距212国道约150m。从地形条件看，坝址河床较窄，岸坡地形变化不大，适合修建当地材料坝；从地质条件看，当地材料对建坝基础要求不高，可在强风化地基上填筑，基础开挖工程量较小。从当地材料分布情况看，筑坝材料丰富，泥岩石渣料运距0.8km～1.5km，粘土料运距0.6km～1.3km，砂岩条块石料运距2.5km。本阶段按就近原则，在库区规划了张家沟鼻梁山为大坝筑坝材料和防渗心墙料场；在张家沟沟底规划了大坝防渗心墙土料场；坝下游规划了潮音寺条块石料场。根据地勘试验提供的设计参数建议值，对不同坝型进行设计。设计根据地形、地质和料场分布情况，作了粘土心墙石渣坝、泥岩均质坝和风化泥岩心墙石渣坝三种坝型方案进行比较[2-4]。水库正常高水位372.7m，设计洪水位373.02m，校核洪水位373.20m。

(1)粘土心墙石渣坝[4]。根据地质对料场勘察和对筑坝材料的试验成果分析，该坝型防渗体采用粘土料，防渗体顶宽4m，顶部高程374.4m，上下游坡度为1∶0.3。上游坝壳采用砂岩石渣料碾压填筑，下游坝壳采用新鲜或弱风化泥岩石渣料碾压填筑。在上游坝壳料与心墙之间设3.5m厚的砂岩石渣反滤过渡层；防渗心墙与下游坝壳料之间设置3.5m厚的级配连续的石渣过渡区，排水棱体采用砂岩石渣料碾压填筑。

所选料场均在水库库区内，水库建成后将被库水淹没，不涉及占用和废弃耕地问题。根据钻探和试验成果，料场材料质量和储量均能满足筑坝要求。该大坝轴线长301.0m，坝顶宽8.0m，坝顶高程374.60m，最大坝高53m，坝顶设1.0m高混凝土防浪墙。上游坝坡分为3级，坝坡自上而下坡比分别为1∶2.0、1∶2.4、1∶2.4；下游坝坡分为4级，坝坡自上而下坡比分别为1∶2.4、1∶2.6、1∶2.6和1∶2.0，最大坝底宽为236.36m。

(2)风化泥岩心墙石渣坝。它的结构与粘土心墙石渣坝相同，只是心墙采用风化泥岩石渣料填筑，从地质勘探和试验资料看，在库区张家沟泥岩石渣料场有符合要求的石渣料。

(3)泥岩均质坝。坝体填筑料均采用泥岩石渣，下游坝脚设砂岩块石排水体，上游坝坡分为3级，坝坡自上而下分别为1∶2.8、1∶3.0、1∶3.2；下游坝坡分为4级，坝坡自上而下坡比分别为1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0、1∶2.0。该大坝轴线长301.0m，坝顶宽9.0m，坝顶高程374.60m，最大坝高52.9m，坝顶设1.0m高混凝土防浪墙，最大坝底宽225.67m。

三种坝型上游均采用16cm厚的六边形浆砌混凝土预制块护坡，护坡中设C20混凝土纵横向网格梁，并设孔距为3m的排水孔。下游坝坡采用六边形框格预制块，中间植草皮护坡。三种坝型经济技术比较，粘土心墙坝与风化泥岩心墙坝投资相差很小，而粘土心墙坝比泥岩均质坝投资少2418.86万元，投资比较见表1。

表1 两种坝型经济技术比较

根据本阶段进行的筑坝材料试验成果，采用泥岩做均质坝的坝型，但试验检测泥岩渗透系数较小，使得大坝在稳定渗流和水库水位降落期坝体浸润线较高，从而影响上下游坝坡的抗滑稳定安全，不利于大坝的安全运行，经稳定计算，上下游平均坝坡需达到1∶3.0和1∶2.75，大大增加了该坝型的填筑工程量和工程投资。同时由于填筑工程量大，在填筑时要确保达到需要的渗透系数，要对开挖填筑料进行严格的筛选控制，施工难度较大。

粘土心墙石渣坝和风化泥岩心墙石渣坝，工程量和投资都很接近，两种坝型施工难度也差不多，从料源情况看两种心墙料都满足要求。从心墙防渗效果看，粘土(渗透系数1×10-6cm/s)的防渗效果比风化泥岩(渗透系数5×10-6cm/s)好，坝壳石渣料源满足要求。经综合比较，本阶段设计推荐粘土心墙石渣坝。

4.2 泄水建筑物选择[2-5]

由于九龙潭水库集雨面积小，经水文计算在设计、校核工况下，洪峰流量和洪水总量较小，洪水计算成果见表2。

表2 九龙潭水库设计洪水成果

因水库洪峰流量和洪水总量较小，而该水库又是囤蓄水库，水资源宝贵，在确保工程安全的前提下，尽量减少弃水。为选择经济合理的溢流宽度，拟定4m、5m和不设溢洪道三个方案进行比较，在起调水位及溢洪方式都确定的情况下，随着溢流宽度增加，溢洪能力加大，坝顶高程降低。溢洪道经济溢流方案计算成果见表3。

表3 溢洪道经济溢流方案比较

从比较结果看，不设溢洪道和设5m宽溢洪道相比，坝顶高程增加0.04m，工程投资却减小112.77万元，同时库容增加7.25万m3，可充分利用有限的水资源。在工程出现险情时可利用2号取水洞放水，以确保工程安全。经过经济技术比较，确定九龙潭水库不设溢洪道方案[6]。

5 结论

通过对九龙潭水库主要建筑比选分析，最后拟定坝型为粘土心墙碾压石渣坝，最大坝高53.0m，坝顶宽度8m，坝轴线设计长301m；不设溢洪道；引水明渠位于库尾，与升钟水库西南分干渠接近垂直，长235m，设计引水流量为4.7m3/s，西南分干渠上设节制闸和分水闸各一处；取水设施两处，分别位于大坝右坝肩和库尾左端，控制最大取水流量分别为2.0m3/s和1.5m3/s。水库已按推荐方案建成并蓄水，通过几年的运行，坝体稳定、渗流较小，已为西充县生活供水近亿m3。

综上所述，水库工程主要建筑物选型在水库工程建筑物初步设计中是一项非常重要的工作，要根据建坝地形地质条件，充分论证主体工程布置方案以及坝型对坝基的适应性能、对当地气候的适应能力、建筑材料的适用性、施工条件、工程安全性和工程投资等方面综合比较，最终选择适合本工程的最优方案。通过对九龙潭水库主要建筑物的几种方案分析研究，在经过经济技术评价之后最终确定工程最优方案。