南水北调西线一期工程寒冷地区高烈度拱坝坝型的研究
姜苏阳，曹国利，史海英
（黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003）摘要：在西线一期各比选输水线路十几个坝址坝型比选上，首先从各坝址河谷地形和地质条件，对修建拱坝进行了初步论证，除雅砻江上的热巴、阿达坝址外，其它坝址的宽高比及地质条件上，修建拱坝优势不大。以热巴、阿达坝址为典型代表的西线一期工程其河谷宽高比最小、坝基地质条件最好的高坝坝址，具备修建混凝土拱坝和混凝土面板坝的条件。进一步的研究和论证结果表明，修建混凝土拱坝和混凝土面板坝在技术上都是可行的，混凝土面板堆石坝方案在投资、工期及施工方面，优势明显。
关键词：热巴坝址；阿达坝址；坝型比较；混凝土面板堆石坝；混凝土拱坝
1 引言
南水北调西线一期工程从海拔3500m左右的雅砻江干流及其支流、大渡河支流的共七条河流调水，工程环境特殊、地形地质条件复杂、输水线路长、有多个水源水库，涉及因素多且复杂、可选择的布置方案多，对工程十几个比选坝址进行了多方案的研究和比选。坝型选择对枢纽的合理布置、工程造价、施工工期及安全运行具有重大影响。各坝型比选重点在于研究各方案的地形地质、建筑材料、施工、运用和工程投资，结合工程区的气候、水文、交通条件，保证工程施工要求，在技术上是可行的，经济上是合理的。影响坝型选择的因素主要包括坝址区的地形、地质条件，当地建筑材料、施工条件、工程量及投资等，另外，坝址区的气象条件、地震烈度，以及水库的运行条件也对坝型的选择有较大的影响。
工作区地处中纬度高海拔地区，河谷最低海拔3500 m，空气稀薄，气候寒冷，属独特的青藏高原气候，冬寒夏凉四季不分明，昼夜温差大，无霜期短甚至没有无霜期。坝址地震动峰值加速度一般为0.1g~0.15g（相应的地震基本烈度为6度~7度），地震设防烈度为7度~8度。
2 各坝址拱坝坝型比较论证
拱坝宜修建在河谷较狭窄、地质条件较好的坝址上。在所有的坝型中，拱坝对地质的要求最高，巨大的水压力通过拱梁分载传递到坝基和两岸坝肩，所以要求和坝体
接触的整个边界要有较好的岩石条件：岩石完整，有足够的抗压强度和弹性模量，最好没有不利于坝肩稳定的结构面；要远离活动性断层，避开大的地质构造（断层、裂隙、软弱带）对坝肩稳定构成威胁，尤其是与缓倾角组合；覆盖层一般不要超过20~30m。基岩的变形模量一般应在10GPa以上，当变形模量部分低于5GPa时，对坝体应力会产生明显影响。在世界上有记录失事的6座拱坝中，其中地质出问题的有5座，这足以说明地质条件的重要程度。
窄的V形河谷，“拱”的作用很大，“梁”的作用相对较小，坝体可做得很薄。河谷愈宽，“拱”的作用逐渐削弱，坝体相对较厚。
一般当宽高比小于1时，地形条件非常适于建拱坝，大部分荷载由拱圈承受，梁的作用很小，坝体可以做得很薄，安全性也很高。有时地质条件差一些，花较大的代价去处理也是值得的，（如瓦依昂、猫跳河3级）。
宽高比小于3，具备修建拱坝的地形条件，和其他坝型比较，拱坝往往具有明显的优势，前提是地质条件允许。
当宽高比大于5时，“拱”的分载很小，主要依靠“梁”承受荷载，坝体断面也变得很厚，此时拱坝坝型的就没有优势可言了。
西线一期各比选输水线路上的坝址（雅龙江上坝址热巴除外），除下线输水线路上的纪柯坝址宽高比在3以下外，其余宽高比基本上都在3.5以上，尤其是推荐方案的坝址宽高比都在4以上。因此，从地形条件上看，修建拱坝优势不大。由于雅砻江上的热巴坝址坝基地质条件好，为花岗岩层，河谷宽高比为 1.35，从河谷外型上看修建拱坝很理想，因此进行了拱坝坝型的比选研究。
3、热巴坝址混凝土拱坝设计
混凝土拱坝采用抛物线双曲拱坝，坝顶高程3706m，坝顶弦长570.01m，弧长705.00m，最大坝高196m，拱冠梁坝顶宽度10m，坝底厚度56m，最大厚度58m，厚高比0.286，弦高比2.91。
坝体分为挡水坝段和泄洪坝段。挡水坝段位于左右岸，泄洪坝段位于河床中间，泄洪方式采用“3个表孔+2中孔+1个底孔”的方案，采用水垫塘消能。
表孔是主要的泄洪建筑物，布置在河床中部，采用3孔。表孔堰面采用开敞式WES 实用堰，堰面曲线采用幂曲线。为避免水舌落点过于集中、减小下泄水流对底板的冲击力，表孔采用不同的出坎形式。为让水舌平面扩散，溢流孔口采用扩散型。表孔设
有弧形工作门和事故检修门。弧形门由布置在坝顶的油压启闭机启闭。事故检修门布置在泄洪中心线上游，事故检修们和中孔检修门共用一个门机。闸墩宽度结合中底孔确定，沿坝轴线处弧长中墩宽12，边墩宽6m。
中孔的主要作用是泄洪兼水库放空，布置在表孔的中墩之下，共设2孔，沿泄洪中心线对称布置，采用有压流泄洪。
底孔的主要作用是放空水库，布置在表孔的中墩之下，共设1孔，以泄洪中心线对称布置，采用有压流泄洪，由坝顶门机启闭，出口设弧形工作门，由油压启闭机启闭。
消能防冲型式的选择遵循消能充分、流态良好并与下游水位衔接平顺、对河床及两岸冲刷小、工程量节省并有利于检修的原则。根据本工程的地形、地质条件，结合工程枢纽布置，参考类似工程经验，选用水垫塘消能。
考虑拱坝布置和河道情况，水垫塘轴线与泄洪中心线不重合。水垫塘底板高程按跌流计算的水垫塘深度和水舌入水后能产生淹没水跃的跃后水深确定。水垫塘底板厚度应满足抗浮和抗冲要求。为满足稳定要求，需在底板布设锚筋，锚筋间排距1.50m，直径φ25，锚入基岩8m。底板四周布设帷幕灌浆孔和排水孔。
水垫塘的长度由水舌最远挑距和淹没水跃长度确定，应使出塘水流基本恢复正常缓流状态，根据水流抛射距离和水垫塘的旋滚长度确定。
水垫塘的宽度以避免塘内水舌打击岸坡为原则，根据河床的宽度和表孔出口宽度，结合两岸地形，确定水垫塘底宽为70m。
水垫塘二道坝高程以一台机组发电时的尾水位确定。二道坝坝顶宽度5m，高20m，上下游坡度均为1：0.8。二道坝内设排水廊道，与设在右岸的集水井联通。二道坝下游设护坦和齿墙，护坦长40m，护坦厚度为4m，末端设齿墙，深8m。
河床坝基上部坝基开挖至弱风化上部，下部坝基开挖至微风化上部。水垫塘底板开挖至弱风化下部，为了保证岸坡坝体的侧向稳定，岸坡开挖坡度一般不陡于1：0.5。
对全坝基进行固结灌浆处理，平均孔深10m。帷幕灌浆采用两层帷幕，主帷幕在3550m高程以下灌至新鲜岩石80m，在3550m高程以上灌至新鲜岩石50m，间距2m，并向两岸各延伸100m。在主灌浆帷幕下游设副灌浆帷幕，副灌浆帷幕间距2m，深度采用主灌浆帷幕2/3倍。副灌浆帷幕下游设2道坝基排水，第一道排水孔采用2/3倍灌浆帷幕深度，间距3m，并向两岸各延伸100m。第二道灌浆帷幕不再向两岸延伸，在
3550m高程以上采用30m深，在3550m高程以下采用40m深。
坝体混凝土采用C30，上游防渗层其抗渗等级最大W8。水位变动区混凝土抗冻等级为F300，过流面采用抗冲耐磨混凝土。
4、结语
从各坝址地质条件看，坝基覆盖层很薄的坝址不多，尤其是坝肩覆盖层，纪柯坝址覆盖层较薄，在0~10m以内，但其坝肩强风化岩层厚度较大，在5m~40m之间。修建100m以上的拱坝，坝肩处理量很大。另外，各坝址坝肩岩体变形模量都在10GPa 以下，也不符合建拱坝地基要求。因此，在目前阶段，在地形条件没有明显优势的情况下，各坝址的坝肩、坝基地质构造没有完全摸清情况下，拱坝暂不推荐，下阶段随着各种控制条件进一步详尽，对个别符合和接近修建拱坝的推荐方案和比较方案的坝址，再做进一步论证。
各坝址区石料丰富，砂卵石料有些坝址较为丰富，七条引水河流有四条河流坝址附近缺乏足够可筑坝的防渗土料。大部分坝址处在高地震区，适宜于修建堆石坝。
在南水北调西线一期工程所有坝址中，热巴混凝土拱坝与混凝土面板坝二个坝型的优缺点、投资、工期等方面比较，混凝土拱坝比混凝土面板坝投资高7%，施工工期长1年，面板坝抗震性能更优。
作者简介：姜苏阳（1960－），女，河南省郑州市人，高级工程师，本科，从事水利水电设计工作。
来稿日期：2010.9