水利工程设计要点⑴---坝轴线(坝址)选择及枢纽布置

发布于 2021-01-12 19:35

第一章坝轴线（坝址）选择及枢纽布置

一、坝轴线（坝址）的意义及选择

1.1 坝轴线（坝址）的含义

在准备修建水利水电枢纽工程的一定河段长度的地形平面图上，通常总要在其上找几条横越河流的几何线，以作为建坝的轴线（坝址）。

实际上水利水电枢纽的坝址所占的位置实际并不是一条线，而是具有一定的宽度的，除了布置坝体以外，还要布置其他的主要建筑物。

各种建筑物类型、特点的差异，以及不同的地形、地质条件和不同的设计水头要求的坝址宽度不一样。

(所以在地形图上所画的一条线实际上只是象征的、或者是最具有代表性的位置。工程地质勘测时也不是只在一条线上工作，而是在已有的初步工程布置方案的基础上，根据需要在其一定的范围内进行勘测，不过在所定的轴线上进行的勘测工作更多更细些，如进行钻孔勘测等，并有地质剖面图等较详细的资料。我们设计时就可在给定的几条坝轴线上，按设计要求来布置各种建筑物，以便进一步进行设计、计算和方案比较。这些坝轴线（坝址）的存在，意味着在这几条轴线上或轴线附近，工程地质人员已经做了不少艰苦而又细致的工作，掌握了不少的资料的积累，认为是可以布置以坝为主体的主要建筑物，这个轴线就是坝体的轴线。一般应有相应的几个坝轴线比较的方案。特殊情况也会有可能发现原来所定的坝轴线（坝址）是不适合的，甚至也有在开工以后被迫放弃原来所定的坝轴线（坝址）的情况。)

坝轴线（坝址）的选择工作，随着设计阶段的不同而有不同的内容，它也与工程地质勘测工作的内容和深度密切相关。选择坝轴线（坝址）的过程一般需要经过以下几个阶段：

第一阶段——流域规划的技术经济报告阶段。该阶段以整个河流流域为主要研究对象，确定河流开发的第一期工程和坝址地区，并初步选择全河流上可能的和合理的坝轴线（坝址），定出梯级开发中的各个枢纽工程的相应坝轴线（坝址）。

第二阶段——初步设计阶段。根据流域规划设计成果，对准备要修建工程的地区，在原来选定的坝轴线（坝址）基础上，地质勘测及设计的工作面应由宽到窄，由全面到深入，通过技术经济比较，进一步选择确定几条具体的坝轴线。

第三阶段——技术设计阶段。在技术经济比较的基础上，根据设计的深入和坝及其他主要建筑物的轮廓尺寸及合理布置，从地质条件，河谷宽度，下游消能条件，施工场地布置，建筑材料的开采、运输等方面进行比较，并进行适当的结构稳定计算和工程量的计算，最后通过技术经济的比较确定一条坝轴线和选定设计方案。

坝轴线的选定，并不是单纯的轴线本身和比较，而是与主要建筑物选型和枢纽平面布置紧密联系在一起的，因此坝轴线、坝型选择和水利水电枢纽工程的布置三者是相互联系的。

1.2 选择坝轴线（坝址）所需要的基本资料

1.2.1 地形资料

地形资料包括该坝址地区的实测地形图和河流地段的纵横断面图。

地图形的比例尺随设计阶段和工程的规模而有所不同，一般应有坝址处1/2000~1/1000的地形图，坝轴线处1/500~1/200的地形图。

1.2.2 工程地质资料

工程地质资料包括坝址地区的地质平面图和剖面图。

一般需要有1/50000的库、坝区的路线地质测绘图、1/10000的坝址区工程地质测绘图。

图上及有关文件要能说明当地的岩层、岩性、覆盖层性质和基岩中的断层、节理、裂隙、其他缺陷的分布情况，以及基岩的透水情况，地下水等有关的资料，以便从宏观上掌握库、坝区的工程地质特点。

根据建筑物的规模和需要，应有按岩体不同类型选取有代表性的岩样进行物理力学试验和一定数量的野外原位测试（如抗剪、弹模、弹性抗力等试验）资料和岩体的渗水试验（压水、注水、抽水试验）资料。

1.2.3 水文气象资料

水文气象资料包括

（1）坝址地区附近的各种水文特性，如流域内水文测站分布、观测项目、观测年限、主要水文站的控制特性和高程系统。（2）水位、流速、泥砂等测验方法和测验精度。（3）主要测站资料整编情况。（4）水位及流量的资料、降雨量、径流、洪水（包括最大洪水）、枯水及河流泥砂的性质和数量等。

气象资料包括河流、坝址及库区及邻近地区气象台分布与观测情况，如气候、温度、降雨、风等气象特性资料。

1.2.4 建筑材料资料

坝址及其附近地区的各种建筑材料的类型、分布、储量、运输条件、质量及物理力学性质等方面的资料。1.2.5 其他

当地的社会的自然经济情况、施工设备、技术力量以及地震等方面的有关资料等。

1.3 坝轴线（坝址）选择应考虑的问题

1.3.1 地质条件

良好的地质条件是保证枢纽工程安全运行的基本条件。

一般坝址区存在着地质缺陷也是不可避免的，如果能通过地基处理后，达到一定的稳定性和不透水性，仍属于好的地质条件。

对坝基地质的要求，也应随坝型和坝高而有所不同。拱坝对两岸及坝基的地质条件要求最高，支墩坝，重力坝次之，而当地材料的土石坝则要求最低。

设计者需要掌握各种坝型的关键性的特点，以便能因地制宜地选好坝轴线（坝址）。

1.3.2 地形条件地形条件

一般在相同的地质条件下，坝轴线选在河谷的狭窄段是较为有利的。因为这样可以使坝顶轴线短，坝的工程量会少，造价会较低，但有时狭窄的河谷对泄水建筑物布置，施工场地和导流建筑物布置不利，所以选择坝轴线时，不但要考虑使工程量较小，还要考虑枢纽中各建筑物的布置和施工等条件。

不同的坝型对地形的要求不相同，应该分别对待不能一概而论。例如拱坝要求河谷则越窄越好，而当地材料做的土石坝则要求河谷要有较宽的地方，而且要岸坡不太陡，附近有地势较低的马鞍形缺口，以便于布置溢洪道。

坝轴线的选择还应考虑下泄水流应尽可能和原河道的主流方向一致，以免造成河道及两岸的冲刷。

1.3.3 建筑材料建筑材料

应查明当地材料的分布和储量，及开采条件，作为混凝土骨料的砂石料，应尽可能就地取材，减少运输费用。

1.3.4 施工条件

选择坝轴线（坝址）应考虑施工导流建筑物布置，坝址下游附近应有较开阔的场地，便于布置和安排施工场地和对外交通。

1.3.5 综合效益综合效益

应比较不同的坝轴线（坝址）位置对防洪、发电、灌溉、供水、航运等经济效益和社会效益的影响。

1、4 坝轴线（坝址）选择案例

1.4.1 溪落渡坝轴线选择

位于金沙江上游的溪落渡水电工程是一座以发电为主，兼有拦砂、防洪和改善下游航道条件等的综合利用效益的水利水电枢纽工程。

坝址区河道顺直，岸坡陡峻，坝基岩体多为玄武岩，整体块状结构，强度高，风化卸荷浅，工程具有“笮河谷、高拱坝、大泄量、多机组”的特点。

自1986年正式开始进行前期勘测设计工作，在该河段上选择了上、中、下三个坝址进行比较，1994年完成《溪落渡坝址选择研究报告》，1996年提交《溪落渡水电站予可行性研究报告》，并在选定的中坝址区进行了坝轴线比选阶段的勘测设计、工作，经过地形地质条件、枢纽布置、施工条件、总工程量、工程总投资等技术经济比较，确定了溪落渡水电工程的坝轴线。

1-1溪落渡坝轴线比较示意图

表1-1溪落渡坝轴线比较

坝轴线	I坝轴线	X坝轴线
地形地质条件	位于溪落渡峡谷中段，河道顺直，地形完整、岸坡陡峻。抗力体部位河谷收敛，坝基岩体弱风化下限高程323.41~327m，建基面高程325m。	X坝轴线位于I坝轴线下游约175 m，河谷相对狭窄，其他地形地质条件与I坝轴线无明显差异。抗力体部位河谷相对敞开，坝基岩体弱风化下限高程332m~341 m以上，有利于抬高建基面，减少边坡高度。建基面高程325m。
枢纽布置	建筑物由混凝土双曲拱坝，左右岸地下电站厂房，坝身泄水孔口为2表孔+6中孔+7深孔+左右岸泄洪隧洞。坝体混凝土方量较X坝轴线多23万m3、基础开挖工程量较X坝轴线多52万m3。坝轴线左岸距上游550m~650m高程之间宜布置电站进水口的缓坡台地约300m。	枢纽建筑物布置同I坝轴线。需要处理抗力体尾部的强风化夹层，基础处理工程量约有增加。 X坝轴线下移，距上游550m~650m高程之间宜布置电站进水口的缓坡台地距离增加，但可以在大坝和电站进水口之间增设泄洪隧洞，缩短了泄洪隧洞的长度。
施工条件	施工总进度与X坝轴差异不大。	施工导流方面，X坝轴线约优于I坝轴线。
总工程量	坝体混凝土方量：717万m3 基础开挖工程量：739万m3	坝体混凝土方量：694万m3 基础开挖工程量：687万m3
工程总投资	单位千瓦静态投资：2746.92元。	单位千瓦静态投资：2728.79元

综合比较，X坝轴线稍优于I坝轴线，选择X坝轴线

1.4.2 刘家峡水电站坝址选择

刘家峡水电站是《黄河综合利用规划技术经济报告》（1954年）中列入第一期开发的工程之一。

1952年~1956年完成了初步设计的第一期——坝址选择阶段的工作。在全长11.9km的刘家峡中选择了马六沟、姚河口、苏州崖、红柳沟四个坝址进行了工程地质勘察工作。

图1-2刘家峡水电站坝址比较示意图

表1-2 刘家峡水电站坝址选择比较

项目	坝址名称
项目	马六沟	姚河口	苏州崖	红柳沟
河面宽度（m）	42.5	49	57	49
河水深度（m）	6~10	5~8	4~7	2~13
覆盖层深度（m）	2.13~7.09	2.99	5~5.23	2~13
基础岩石	变质结晶片岩，坚硬	变质结晶片岩，坚硬	变质结晶片岩，坚硬	变质结晶片岩，坚硬
坝区岩体风化深度（m）	两岸1~6，河床1~5	两岸2~18，河床3~8	两岸2~16，河床4~9	两岸1~8，河床1~5
构造断裂情况	断层少，多横切河床	断层多，斜切河床，岸坡切割深	断层多，斜切及平行河床	有三条断层斜切河床，上下游有横河断层
裂隙发育情况	层面裂隙较多，左岸有顺坡裂隙	岸坡剪切裂隙及构造裂隙较多	裂隙发育岸坡岩石受切割，较差	裂隙发育较发育，以层面裂隙较多
水文地质情况	两岸基岩内有裂隙承压水，岩石透水性小	河床基岩内有裂隙承压水，岩层透水性小	河床基岩内有裂隙承压水，岩层透水性大	河床基岩内有裂隙承压水，岩层透水性小
地震基本烈度	80	80	80	80
天然材料运距、交通及施工场地条件	最差	较差	差	优越

评价：

姚河口坝址地质构造复杂，岩体完整性较差，岸边有顺河构造裂隙，卸荷的岸边剪切裂隙，对两岸坝肩稳定不利。苏州崖坝址河面较宽，两岸岩体受构造断裂切割比姚河口差，岩体透水性大，上游有坍塌体，下游有苏州崖滑坡体，枢纽建筑物布置受影响，交通及施工场地条件也较差，故这两坝址不宜选用。

马六沟坝址河面窄，河床覆盖层薄，坝址岩石坚硬完整，构造裂隙简单、岩石弱风化深度浅，岩体透水性小，这些方面都优于红柳沟坝址，但交通及施工场地条件也较差，在同一正常蓄水时，发电水头比红柳沟坝址减少9m，库容少9亿m3，发电效益差。

红柳沟坝址河面较宽，河床覆盖层薄，岩石风化深度浅，岩体较坚硬，透水性小，有F69断层顺河向斜切河床，该断层错断了第三纪红层，但未见切过上覆的距今约15万年的晚更新世黄土，说明近数万年未活动，已趋于相对稳定，其破碎带在工程上是可以处理的。红柳沟坝址天然材料运距、交通及施工场地条件优越，比马六沟坝址增加发电水头9m，增加装机容量20万KW，发电效益好。