贵州省仁怀市石坝河水库规划与大坝设计分析

孟春见

（仁怀市水务局 贵州仁怀 564500）

0 引言

仁怀市位于贵州省西北部，大娄山脉西段北侧，属于云贵高原向四川盆地过渡的山地地带，是黔北经济区与川南经济区的连接点，区域内特别是茅台镇酿酒工业发达，有“中国酒都”之称。酿造用水是酿酒的重要生产资源，受石坝河径流量年际变化较大、年内分配严重不均、供水水源工程建设滞后影响，茅台镇河西片区上坪村、椿树村及元木岩村等区域工程性缺水问题突出。在此背景下，拟在石坝河上规划建设石坝河水库，为区域建设提供基础性资源保障。

1 流域概况

石坝河发源于古蔺县丹桂镇白良村混元山，河源高程1 432.00 m，自西北向东南流经塔山、河坝、筲箕塘、下白岩等地，于袁半坡汇入石坝河沟，是赤水河左岸一级支流，河长12.7 km，流域面积34.91 km2，多年平均径流量1 530 万m3。拟建石坝河水库坝址位于茅台镇上坪村境内，坝址以上流域面积22.6 km2，其中明流区流域面积15.2 km2，闭流区流域面积7.4 km2，主河道河长8.65 km，主河道平均比降7.67%，流域形状系数0.207。

经水文地质勘察核实，石坝河流域西北部庙林村为一岩溶闭流区，地表径流进入岩溶后经地下岩溶通道于龙洞庙洞口出露地表，闭流区全区位于坝址断面以上。受临近煤矿开采影响，出露泉水铁、锰超标，硫酸盐、COD 临近Ⅲ类下限，水质浑浊有肉眼可见悬浮物。在水库规划设计方案中，以管道将其引出，处理后排放至下游河道，溶洞出水不入库、不参与坝址径流和泥沙计算[1]。

2 气象水文

水库所在河流流域属中亚热带季风湿润气候区，四季分明，气候温和湿润，光水热同季，多年平均降水量873.8 mm，降雨多发生在5-8 月，占全年降水量的61.1%；多年平均气温15.6℃；多年平均日照29%；多年平均相对湿度78%；多年平均风速1.3 m/s，主要灾害性天气有干旱、倒春寒、暴雨等。

根据1953-2015 年实测径流资料计算分析，石坝河水库坝址处多年平均径流量491 万m3，Cv=0.33，Cs=2Cv，枯季（11-4 月）径流量113 万m3，占全年的23.0%，设计径流成果如表1 所示。设计暴雨H24=80 mm，Cv=0.45，Cs=3.5Cv，相应设计洪水计算成果如表2 所示。闭流区泥沙通过新建引水管道引出库外，因此只计算明流区泥沙，悬移质泥沙按照流域多年平均输沙模数200 t/km2计算，悬移质年输沙量为2 338 m3；推移质按悬移质20%考虑入库，为468 m3[2]。

表1 石坝河水库设计径流成果表

表2 石坝河水库设计洪水成果表

3 工程总体规划

3.1 工程规模与可供水量

石坝河水库主要承担茅台镇上坪村、椿树村及元木岩村生活用水及425 家酿酒企业工业用水，设计年供水量219 万m3，供水保证率为95%。水库坝址以上流域面积15.2 km2，水库死水位540.00 m，死库容21 万m3；正常蓄水位568.00 m，兴利库容127 万m3；校核洪水位568.03 m，水库总库容149 万m3。设计洪水标准为30 年一遇，校核洪水标准为300 年一遇，水库属小Ⅰ型，工程等别为Ⅳ等。

石坝河水库正常蓄水位相应库容148 万m3，兴利库容127 万m3，库容系数25.9%，具备多年调节性能，水库多年平均供水量219 万m3/a，水量利用率44.7%；下游生态用水量54.1 万m3/a，占天然入库径流量的10.0%。

3.2 供水配置分析

供水范围内现状农村人口1.19 万人，按农村增长人口与转移至城镇人口数量基本持平考虑，至设计水平年人口规模保持不变。按最高日居民生活用水定额120 L/人·d，公共建筑用水按10%，管网漏失水量和未预见水量按15%，水厂自用水量按5%，石坝河水库至水厂输水损失按4%计，日变化系数取1.3，三村日平均需水量1 517 m3/d、年需水量55.4 万m3/a。供水范围内三村分别有221、147、57 家酒厂（作坊），共计10 154个窖坑，单坑产能8 t/a，酿酒用水定额根据实际工艺取50 m3/t，则三村酿酒工业需水量为407 万m3/a。

合计至设计水平年2030 年时，三村总需水量462.4 万m3/a。目前区域内共有5 处引提水工程，总供水量244 万m3/a，供水水源为赤水河和石坝河，水量稳定、水质达标，纳入区域供水配置方案。拟建石坝河水库设计年供水量219 万m3/a，合计总供水量达到463 万m3/a，满足区域生活和酿酒工业需求[3]。

3.3 坝线选择

石坝河陡崖以上至焦岩河段库盘狭小、两岸坡地陡峭，河段河床比降达12%以上，建库水位抬高较大，易引发岸坡堆积体滑坡；汇口以下为开阔缓坡谷底；陡崖至汇口河段两岸山体延续，岩层总体倾向上游微偏右岸，2 号冲沟以上两岸为对称V 形横向河谷，边坡稳定，适合建库。据此选定2 号冲沟以下、汇口以上约490 m 处为建坝场址。

坝址河段两岸山体延续良好，坝区右岸有一处凸出山体发育，总体走向与河床走向斜交并向下游逐渐收敛，河流流向受山体影响为S65°E-S47°W-S25°E，坝址河段平均比降约4.2%，枯水期水面宽3～6 m、水深0.2～0.8 m。坝址区冲沟发育，除4 号冲沟以上左坝肩岸坡段较缓外，其它岸坡陡峭，出露地层岩性以泥质粉砂岩、砂岩、石英砂岩和泥岩为主，多在两岸坡地陡峭段及河床边出露。坝区周边天然建筑材料以石料为主，土料分布较少，且开采条件一般，开挖后易形成高陡边坡。坝址岩体均一性和抗变形能力一般，坝肩持力层较差，不适宜修建拱坝，土石坝推荐混凝土面板堆石坝、重力坝推荐堆石混凝土坝进行比选[4]。

3.4 坝型比选

两坝型控制流域面积、水文条件及充分利用水资源程度、水库淹没基本相同，主要从地质、施工、投资等方面进行比选。1）从地形条件分析，由于两岸地形不对称、河床较狭窄、右岸坡及左岸坡中下部总体陡峭，堆石混凝土坝基础基坑呈槽状开挖，采取分层台阶开挖和边坡支护，基坑两侧覆盖层边坡稳定问题较突出；而混凝土面板堆石坝体型较大，开挖范围和填筑方量均大于前者，且上游趾板基础开挖形成高陡边坡，稳定问题难以解决。2）从枢纽布置角度分析，堆石混凝土坝开挖工程量较小，取水建筑物布置简单紧凑，且采用坝顶溢流，可降低泄水建筑物布置难度。3）从施工导流及度汛角度分析，由于水库周边酿酒工业发达，导流及度汛要求较高，混凝土面板堆石坝为土石结构，抢筑坝体度汛高程难度很大，导流工程规模较大耗资很高，堆石混凝土坝可采用导流底孔降低度汛难度，同比导流工程规模较小节省投资。4）从工程投资角度，堆石混凝土坝较混凝土面板堆石坝节省约10%，合计约1.2 亿元。综上分析，确定堆石混凝土重力坝为推荐坝型[5]。

3.5 枢纽布置

枢纽工程由水库大坝、溢洪道、取水兼放空建筑物组成。

大坝为堆石混凝土重力坝，坝轴线方向角为N88.0°E，坝顶高程568.50 m，坝址基建面高程511.50 m，最大坝高57.0 m，最大坝底宽52.9 m，上游坝坡536.00 m以上铅直、以下1∶0.2；下游坝坡563.20 m 以上铅直、以下1∶0.8。坝顶宽7.0 m，坝顶长228.0 m。

大坝坝顶中段设泄洪表孔，为开敞式设闸泄洪设计，堰顶高程564.00 m，共3 孔，采用平板钢闸门，闸门尺寸5.0 m×4.0 m，溢流总净宽15.0 m，孔顶设4.0 m宽工作桥。溢流堰为WES 型实用堰，曲线方程为y=0.16x1.85。溢流坝面以半径10.0m 的反弧段接消力池，池底高程511.50m，消力池全长22.0 m、宽25.0 m、高6.0 m。

取水兼放空建筑物布置在溢流坝段右侧，采取坝内埋管的布置方式，进水口底板高程537.50 m，设1扇1.2 m×1.6 m 拦污栅和1 扇1.2 m×1.2 m 平板事故检修闸门。坝内埋DN800 钢管，出口设偏心半球阀，分岔出DN500 取水钢管和DN200 生态放水管，取水管沿坝下游右岸进闸室公路内侧布置，进口中心高程537.90 m，出口中心高程519.80 m，取水管总长174.0 m。

3.6 输水工程布置

本水库输水工程采用分级提水方式，其中生活用水采用泵站提水至新建水厂处理后向受水区供水，酿酒工业用水利用现有输水渠道（当地称为大堰）供水。

输水工程一级泵站布置在大坝下游右岸台地上，采用大坝开挖弃料填实基础，泵站厂房地面高程519.00 m，厂房沿石坝河左岸设置挡墙，安装7 台水泵；二级泵站结合上水池位置布置，左岸二级泵站位于桃竹湾缓坡上，地面高程为649.61 m，安装4 台水泵；右岸二级泵站位于袁半坡台地上，地面高程为648.86 m，安装5 台水泵。

输水管道经一级泵站后分左右岸布置。左岸1#输水管为生活与工业用水共用，自一级泵站接出后，利用进场交通桥跨越石坝河下游河床，沿左岸4 号冲沟边缘提水至永流上水池，管长630 m；左岸2# 输水管自左岸二级泵站接出后，提水至左岸焦岩上水池，管长730 m，经焦岩大堰供给椿树村，其中生活用水先通过永流水厂处理后再接入二级泵站。右岸1# 输水管为生活与工业用水共用，自一级泵站接出后跨越石坝河，提水至东风上水池，管长670 m；右岸2# 输水管自右岸二级泵站接出，提水至陈虎屯上水池，管长760 m，经三五大堰供给上坪村和元木岩村，其中生活用水先通过东风水厂处理后再接入二级泵站。各上水池为封闭式钢筋混凝土矩形水池[6]。

4 大坝设计

4.1 高程设计

根据调洪演算成果，水库校核洪水位568.03 m，正常蓄水位568.00 m，经量算水库计算吹程D=0.25 km，计算风速正常情况为14.6 m/s，校核情况9.7 m/s，坝顶高程按以下两种工况采用下式计算，1）正常蓄水位+正常运用的坝顶超高；2）校核洪水位+非常运用的坝顶超高。

式中：Δh——坝顶距水库静水位高度，m；

h1%——累积频率为1%的浪高，m；

hz——波浪中心线至水库静水位的高度，m；

Lm——平均波长，m；

V0——计算最大风速，m/s；

D——风区长度，m；

H1——坝前水深，m；

hc——安全超高，m。

计算成果如表3 所示。

表3 坝顶高程计算成果表

可知，坝顶高程的控制情况为正常运用情况，计算坝顶高程为568.67 m。当坝顶上游侧设有稳定、坚固且不透水的防浪墙时，坝顶超高可调整为对防浪墙的要求，但需保证正常运营条件下坝顶高程高出静水位0.5 m、非常运用条件下不低于静水位。本工程为堆石混凝土重力坝，上游侧青石栏杆栏板兼防浪作用，防浪高程不低于568.67 m，综合考虑设备布置、检修、观测方面和安全、经济、适用原则，确定大坝坝顶高程为568.50 m。

4.2 应力计算

大坝应力按下式计算，按各工况组合考虑坝体自重、静水压力、扬压力、大坝上游淤沙压力、浪压力和动水压力，各工况荷载组合下应力计算成果如表4 所示。结果为基本荷载组合情况下最大压应力0.79 MPa，特殊荷载组合情况下最大压应力0.80 MPa，大坝上游面未出现拉应力，应力计算结果在规定允许范围内，基岩承载力满足要求。

表4 应力计算成果表

ΣW——计算截面上全部垂直力之和，kN；

ΣM——计算截面上全部垂直力及水平力对计算截面形心的力矩之和，kN·m；

T—坝体计算截面沿上、下游方向的长度，m。

4.3 抗滑稳定计算

坝体沿水平坝基面抗滑稳定采用抗剪断强度方法计算。沿水平坝基面抗滑单宽、整体稳定计算成果如表5、6 所示，结果为基本荷载组合下最小安全系数为3.004，大于规范规定的K=3.0；特殊荷载组合下最小安全系数为2.91，大于规范规定的K=2.5，单宽、整体稳定计算成果均满足规范要求。

表5 沿水平坝基面抗滑单宽稳定计算成果表

表6 沿水平坝基面抗滑整体稳定计算成果表

式中：K′——抗剪断安全系数；

∑W、∑P——计算截面上全部垂直、水平荷载，kN；

A——坝底面积，m2；

f′、c′——抗剪断系数。

5 结语

长期以来，水利建设滞后始终是贵州经济社会发展的短板，水资源量丰富，但开发利用率低下。石坝河水库是列入《遵义市水利建设三大会战实施方案》的项目之一，该项目的实施可为区域建设提供基础性水资源保障，有利于仁怀市经济协调发展。本文针对石坝河流域特征，根据流域水文水利计算成果和地质特性，对区域进行供需水平衡计算，确定工程规模、特性和总体布置，并对大坝结构设计的重要参数进行了重点计算。石坝河水库已于2021 年通过蓄水阶段验收，目前正在实施配套供水工程建设，通过水库建设与蓄水运行情况来看，该设计方案是合理的。