水利工程坝型优选影响因素的探讨

壩型优选是水利水电 工程设计中首先需要解决的一个重要问题，其涉及到许多重要影响因素。在如何根据坝址区的实际自然条件，结合与坝型特点相关的影响因素，作出一个相对最优的决策，选择合适的坝型。

1.库区坝址条件

通常不同的坝址适用于不同的坝型，坝址选择是一项基础工作。在水利枢纽工程规划设计中，必须先确定坝址的位置。选择坝址时，必须确切地了解各坝址地区的地质情况，依据优缺点对坝址进行选择，在选择坝址应充分考虑地形条件，便于考虑枢纽布置及施工方面的条件。

例如：长江三峡水利枢纽工程，坝址选在西陵峡中的三斗坪镇，坝址区河谷开阔，地质条件优越，两岸谷坡平缓，基岩为坚硬的前震旦纪闪云斜长花岗岩，强度高，岩体内断层、裂隙不发育，风化和新鲜岩体的透水性微弱。地形条件有利于布置枢纽建筑物，是一个理想的高坝坝址。

2.工程造价

一般情况下，工程造价是坝型优选上最重要的决定因素，当其它影响差别不大时，哪种坝型造价低，选择它的可能性就较大。

例如：贵州洪家渡水电站坝高179.5m，坝型优选上着重考虑混凝土拱坝、混凝土面板堆石坝，依据估算混凝土拱坝需投资12.52亿元（1989年价），混凝土面板堆石坝需投资11.67亿元， 工程投资节省近1亿元， 故选定混凝土面板堆石坝坝型。

3. 施工工期

工期受施工方法、自然条件的影响，工期越短，可提早发挥工程效益，因此工期是考虑坝型优选的一个重要因素。水利枢纽工程坝型优选上，工程造价因节约工期带来一定经济效益，存在一种矛盾关系，考虑时应综合考虑。

例如：云南古水电站，坝高310m，拟对混凝土重力坝、心墙堆石坝、面板堆石坝方案进行比选，坝址地质条件对于混凝土重力坝适应性差，主要建筑材料运距远、投资大。心墙堆石坝方案的主要缺点是：当地防渗土料的品质难以满足

高心墙堆石坝的防渗要求，且坝体填筑量大，施工周期长。而面板堆石坝技术、经济均具有显著优势，且节约投资5亿元，工期缩短一年。

4.地形条件

土石坝对地形条件没有特别要求，而拱坝对地形条件较高，地形条件是决定拱坝结构形式、工程布置以及经济性的主要因素。理想的地形应是左右两岸 对称，岸坡平顺无突变，在平面上向上游收缩的峡谷段，坝端下游侧应有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定。

例如：龙羊峡水电站，坝高178m，坝址区为不对称\"U\"形河谷，两岸基岩裸露，适应修建重力拱坝；万家寨水利枢纽，坝基为中寒武系厚层灰岩，岩性坚硬，完整性好，适宜修建曲线重力坝和重力拱坝，因为坝址为宽“U”形河谷，地形条件对于曲拱不利，拱向分载很小，选用直线重力坝型。

5.地质条件

在水利工程建设中，地质工作是基础性、支柱性工作，并贯穿其全部过程。世界上有3000多座大坝和水库失事，其中大多与不良地质条件有关，地质条件的好坏是决定修建拱坝的关键问题， 地质条件要看承载坝体重量的地层的地质特性和厚度，其倾角、渗透性及其同下面地层、断层、裂隙等的关系而定。它在一定程度上限制着坝型的选择，但这与坝高是相关联的。

例如：山西万家寨水利枢纽（最大坝高105m），坝基为中寒武系灰岩及页岩、泥灰岩，岩性致密坚硬，无需特殊处理的断层及裂隙，坝型选用混凝土重力坝；广西岩滩水电站（最大坝高110m），坝址区地层为岩浆岩，坝基主要为粗晶菊花状辉长辉绿岩，岩石强度高，未发现大的断裂构造，坝型选用混凝土重力坝。

6.水利生态环境问题

水利工程建设施工中，会对建筑场地及其周围的地质环境产生不利影响，甚至造成破坏，这便形成水利生态环境问题。对水利工程的工程造价、施工工期、坝高有很大的影响。（1）水库浸没问题， （2）水库淤积问题及河道演变问题， （3）水库塌岸问题，（4）水库诱发地震问题， （5）水体变化带来的影响等。

7.社会经济方面的问题

社会经济方面的问题会对水利工程的工程造价、施工工期产生很大的影响。

（1）水库淹没及移民问题，（2）鱼类和生物物种的影响，（3）森林和野生动物的影响，（4）文物和景观的影响，（5）对上、下游的影响等。

8.建设场地及周围地质环境问题

建设场地及周围地质环境问题对工程造价、施工工期、运行管理的关系很大。环境地质问题是指水利工程与地质条件之间的矛盾，即建筑场地的工程地质条件下不影响水工建筑的稳定、经济和使用等方面的要求，而存在的地质缺陷和问题，常遇到的有三大工程地质问题：稳定问题（包括坝基、坝肩、库岸、渠道边坡，隧洞围岩及进出口边坡稳定）、渗漏问题（包括坝区、库区、渠道渗漏）和水利环境地质问题。

9.枢纽布置

枢纽布置的合理性对工程造价、施工工期、运行管理的关系很大。不同的坝址适用于不同的坝型，因而具有不同的枢纽布置。由于水文、地质、地形条件的不相同，水利枢纽工程中水工建筑物组成的不同，每个枢纽的布置也是各自特点。

枢纽布置是将有不同要求的水工建筑物有机地组合起来，共同完成各自任务。布置上有矛盾时，就重避轻，趋利避害，在满足建筑物稳定和强度的前提下，使工程造价和年运转费最省，枢纽布置应考虑建筑材料、施工导流、施工方法、施工工期等因素的影响。尽可能使枢纽在尚未完全建成的情况下，使部分建筑物提前发挥经济效益。

例如：湖南凤滩水电站，混凝土空腹重力拱坝，坝高112.5m，由于河道狭窄，枢纽布置中厂房与泄水建筑物之间布置有困难，将机组布置在溢流坝的闸墩内。

10.抗震性能

在地震烈度較高的地区，选用抗震性能好的坝型，对大坝的安全运行及下游的安全保护尤为重要。

重力坝主要依靠自身重量，在地基上产生磨擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝前巨大的水推力，来维持自身稳定的一种坝型，对抵抗意外 荷载、地震、洪水漫顶等能力较强，总体安全可靠度较高。

拱坝的安全主要取决于两岸拱座岩体的稳定，以及拱坝的抗滑稳定条件。

心墙堆石坝抗震性能较好，变形的适应性很强，受力变形，随着压力的减少，变形很快就能恢复，西哥英菲尔尼罗心墙堆石坝（坝高148m），经受了10度地震的考验而受损不大。墨西哥的奇柯森坝，地震烈度为9度，采取了可塑性不透水心墙坝。前苏联的努列克坝（坝高300m），由于坝址上游12km和下游40km各有一条大断裂，坝址又处于8-9度地震区内，也选用了心墙堆石坝。

混凝土面板堆石坝，从技术理论分析上认为它有较好的工程抗震性能，1938年智利的科戈蒂坝（85m）曾经历四次地震，坝体离震中约95公里，震中地震烈度为10度，坝体虽有沉降，但运行良好。

11.施工技术方案

施工技术方案的选择直接关系到工期、投资及工程质量，所以选择坝型也应将其考虑。因为，施工技术方案主要依据地形、地质条件、场内外交通布置、防洪排水、减少干扰、各工艺衔接、机械设备使用率等。

心墙堆石坝，由于心墙堆石坝与坝体同时上升，工作面分散而相对较小，心墙反滤层、过渡层、堆石施工相互干扰大，施工技术方案比较复杂。

面板堆石坝对自然条件适应性强，施工较灵活方便，堆石施工不受降雨影响，基础处理与坝体填筑互不干扰，施工技术方案较简单。

混凝土重力坝断面形状简单，各个坝段之间独立工作，互不传力，结构作用明确，设计方法简便，便于机械化快速施工，施工技术方案较简单。

混凝土拱坝剖面较薄，几何形状复杂，由于拱坝是嵌固于基岩上的整体结构，坝体一般不设永久伸缩缝，整体外形呈一个向上游凸出的空间壳体结构，施工难度大，施工技术方案相当复杂。

例如：铜街子水电站左岸副坝的选型上，曾经比较过混凝土面板堆石坝、沥青斜墙堆石坝和混凝土心墙堆石坝。心墙堆石坝设计、施工都十分困难，施工技术方案比较复杂，因而最终选取的是混凝土面板堆石坝。

12.筑坝材料的价格

筑坝的材料价格，不仅对工程的投资、施工工期有影响，而且对坝型优选也有相应的影响，

例如：辽宁关门山面板堆石坝（坝高58.5m）坝基为坚硬的安山岩，1988年原设计为混凝土双曲拱坝，由于三材供应紧张和价格上涨，对坝型重新论证采用混凝土面板堆石坝，节约水泥18000吨、木材4000方、钢材700吨。

13.材料运输费用

材料运输费用一般约占坝体造价的25%—35%，不仅对工程的投资、施工难易程度有影响，而且对坝型优选也有相应的影响，如能就地就近取材、缩短运距，可以降低工程的投资、加快工程的进度。当坝址位于狭窄的河谷时，给上坝材料运输、施工导流和泄洪建筑物的布置都会带来困难。水平运输多采用公路运输、铁路运输，垂直运输多采用索道运输、缆式起重机、带式或斗式运输、管道或输送槽运输等，在狭窄的河谷多采用缆机式起重机运输，在地形陡峭修筑运输道路时，多采用索道运输。

14.施工导流方案

施工导流是选定枢纽布置、坝型优选、施工程序和施工总进度的重要因素。还常涉及坝址下游地区的防洪安全。施工导流属于临时建筑物，要求以最小投资、获得最大的效果。最好与坝型结合起来，使主体工程及早发挥效益，简化导流程序费用。导流方案与建筑物的形式密切相关，不同的坝型优选不同的导流方式。

例如：新安江水电站，（坝高105m）、云南大朝山水电站（坝高115m）在坝型比选时，拟定混凝土重力坝、混凝土拱坝进行比选，混凝土拱坝虽然混凝土工程量比混凝土重力坝稍省，但存在基坑要求全年导流，其他工程量较大，及因拱肩稳定和泄洪要求使两岸开挖出现高边坡等问题，而混凝土重力坝结构简单，泄洪消能条件好，可提高施工速度，工期较短，节省投资，故选用。

15.施工干扰度

施工过程中，施工干扰度大，将影响工程进度，也会影响工程质量，从施工条件看施工临时设施有无合适的布置场地，枢纽不同部位的施工是否会产生干扰。如果布置不合理，就会影响工程进度、降低生产效率。心墙堆石坝，由于心墙堆石坝与坝体同时上升，工作面分散而相对较小，心墙反滤层、过渡层、堆石施工相互干扰大，且进入坝体交通线路增加及复杂，影响坝体填筑速度。心墙质量要求高，雨雪天气不能施工，上坝强度不易提高，工期较长。

例如：在隔河岩水利枢纽中，混凝土重力坝方案不论厂房配置如何均比相应的重力拱坝方案造价高而不宜采用。在重力拱坝方案中，空腹重力拱（厂房在空

腹内）与重力拱坝（右岸岸边引水式厂房）均有吸引力，两者在技术上都可靠，前者造价虽低，但因厂房在空腹内，大坝及厂房施工干扰较大，且施工期还要冒洪水过坝的影响，施工风险大。后者造价虽高于前者，但施工风险因厂坝分开施工而大为降低，在动态经济效益上也占有明显优势，因而成为最终选定方案。

16.自然环境条件

自然环境条件的好坏，直接影响工程造价、工期。不同的坝型对自然条件的适应也不相同，面板堆石坝受雨季和严寒等气候条件的干扰很少，可以比较均衡地进行施工，混凝土重力坝，混凝土拱坝，对雨季和严寒等气候条件适应较差。土石坝对水文气象的因素极为敏感。在雨季，土料的含水量影响极大，直接制约着大坝的填筑，施工强度将受到影响，冬季土料上冻，如不采取积极措施，也无法进行填筑，且冬雨季填筑施工，存在着高投入、低产出的窘境。而沥青混凝土心墙堆石坝的沥青混凝土具有不透水性、柔性、抗侵蚀性、耐久性、优良的工作性、无缝的层间结合，以及由粘塑性和延展性带来的裂缝自愈合性能在雨季和严寒等气候条件的干扰很少。

例如：四川南桠河冶勒水电站（坝高125m），坝基位于深厚覆盖层，地质条件极复杂，平均海拔2700m，冬季6-7个月，全年无夏季，气侯条件极恶劣，选择坝型上选用沥青混凝土心墙堆石坝。

17.筑坝材料的选择利用及开采程度

坝址当地的材料情况，往往是决定坝型的重要因素。天然建筑材料的适用、开采程度，可以影响工程投资，同时也制约着坝体填筑及其他工程的正常施工。面板堆石坝、混凝土坝、心墙堆石坝，均需要大量天然建筑材料筑坝。如果当地材料利用及开采不能满足需要，将增加工程投资。

例如：湖北水布埡水电站受坝址地质条件限制，在坝型优选阶段推荐面板堆石坝和心墙堆石坝进行比选，与心墙堆石坝方案相比较，需填筑350万m3防渗料，心墙防渗料拟采用坝下游的庙王沟碎石土和龙王冲页风化料，由于坝址附近缺少防渗性能较好的粘性土料，但庙王沟碎石土和龙王冲页岩风化料颗粒较粗、级配宽、不均匀系数大、页岩风化料中细料偏少，故坝型优选推荐面板堆石坝。

18.坝基处理

拱坝在外荷载作用下的稳定性主要依靠两岸拱端的反作用力，不像重力坝那样依靠自重来维持稳定，这样可以将拱坝设计得较薄。但拱坝对坝址地形地质条件要求高，对地基处理的要求比重力坝和其他坝型更高。

混凝土面板堆石坝对基础的适应性强，湖北西北口水库（坝高95m）原设计混凝土重力拱坝，坝基属白云质灰岩，1978年开挖基础并浇了部分混凝土，由于坝基有倾向下游的泥灰岩、页岩软弱夹层、F6大断层等地质问题，给两岸坝肩、坝体的稳定性带来威胁，后来改为混凝土面板堆石坝。

19.国防安全与战争

水库大坝在国防安全中的地位也日渐显现。大坝历来是现代战争或冲突中的主要打击目标之一。一旦大型水坝遭到致命攻击，必将引起遭袭一方巨大的生态灾难，人民生命财产也将受到重大损失，因此其安全也成为国防的重中之重。

混凝土重力坝，依靠自身的重力，每个坝段都可以独立承担相当的压力。即便某一坝段受损，其他坝段依然能独立承当该坝段的水的压力，不可能造成其溃决。长江三峡大坝在坝型优选上着重考虑为混凝土重力坝。

20.防洪渡汛

重力坝和拱坝一般采用坝体泄流（坝顶溢流和孔口泄流），心墙坝不能坝身泄流，必须另外修建泄水建筑物，增加枢纽布置的难度，防洪导流难度大，但沥青混凝土心墙坝可以随其施工进度而蓄水。

土石坝一般不允许漫顶过流（随着技术的发展，虽然可以采取在坝顶及下游侧进行必要的防护后也可实现漫顶过流甚至渡汛，但防护费用高，且也需要施工时间，在渡汛后又需要拆除时间）土石坝的散粒体材料抗冲刷的抗掏刷能力极低，一旦水流漫顶，将直接冲刷坝坡，掏刷坝脚，威胁大坝安全。1975年8月安徽板桥水库因洪水流量过大，泄水能力不足，最后水流漫顶而冲毁大坝。

21.运行管理及日后维修、维护

进行日后维修、维护是确保水利工程安全运行，提高效益的管理手段。沥青混凝土心墙属于塑性混凝土，强度高，变形的适应性很强，受力变形，随着压力的减少，变形很快就能恢复，沥青混凝土心墙坝适用于有坝内变形和坝基有不均匀沉陷的情况。

混凝土重力坝允许溢流，在管理上比较方便，土石坝不允许坝顶过水，在运行管理上要求更严格。

混凝土面板堆石坝的面板设置在垫层的上游面挡水前沿，其结构体型长而薄，由于面板坝的防渗体面板位于上游面，即使出现一些裂缝和渗漏，也比较容易检查和维修，往往由于面板混凝土本身因素、施工因素及坝体结构因素而产生裂缝，以致破坏混凝土的完整性和降低其耐久性，将加剧混凝土的渗透溶蚀、冻融破坏、钢筋锈蚀等过程，严重的可能导致防渗体系的失效，影响工程正常运行。造成日后维修费用增加。

总之，坝型优选应该是将以上这些因素综合考虑，但不同的工程实际情况各不相同，考虑因素的侧重点也不同，但坝型优选上综合考虑，多方案比较，可以根据具体情况舍去方案间差别不大的影响因素，合理选择坝型。

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