柏葉口水庫壩型方案比選及建筑物優(yōu)化設(shè)計

趙卿元

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

柏葉口水庫壩型方案比選及建筑物優(yōu)化設(shè)計

趙卿元

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

柏葉口水庫初步設(shè)計階段，通過對混凝土面板堆石壩和碾壓混凝土重力壩兩種壩型方案進(jìn)行比較分析，確定采用面板堆石壩型，并對主要建筑物布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，為山西省混凝土面板堆石壩的高壩設(shè)計積累了經(jīng)驗。

混凝土面板堆石壩；碾壓混凝土重力壩；溢洪道；泄洪發(fā)電洞；柏葉口水庫

1 工程概況

柏葉口水庫位于交城縣會立鄉(xiāng)柏葉口村上游約500m的文峪河干流上，控制流域面積875km2，是一座以城市生活和工業(yè)供水、文峪河水庫防洪為主，兼顧提高現(xiàn)有灌區(qū)灌溉保證率、發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程，主要由大壩、溢洪道、泄洪發(fā)電洞和水電站等建筑物組成。

2 壩型方案比選

在可行性研究階段，初選混凝土面板堆石壩和碾壓混凝土重力壩兩種壩型進(jìn)行比較。進(jìn)入初步設(shè)計階段，根據(jù)兩種壩型對地質(zhì)條件的要求差異進(jìn)行深入分析。

壩址區(qū)覆蓋層一般厚度7～8m，在推測深槽部位勘探揭露深度最大15.1m。覆蓋層以Q4pal卵石混合土層為主，層中未發(fā)現(xiàn)土夾層，雖存在砂層，但層薄且不連續(xù)，呈透鏡體狀分布，原狀卵石混合土層具低壓縮性，密實程度為中密～密實，抗剪強度較高。壩址左岸基巖強風(fēng)化層厚6～15m，弱風(fēng)化層厚17～22m。設(shè)計壩軸線主河床基巖強風(fēng)化層厚3～8m，弱風(fēng)化層厚14～20m。設(shè)計趾板線處強風(fēng)化層厚1～10m，左側(cè)河谷弱風(fēng)化層厚16～23m，右側(cè)河谷弱風(fēng)化層厚35～55m。壩址右岸基巖強風(fēng)化層厚18～23m，弱風(fēng)化層厚45～90m，壩址區(qū)基巖存在差異風(fēng)化現(xiàn)象。

重力壩型對地基的要求較高，本工程設(shè)計大壩為高壩，按照規(guī)范要求將壩基置于弱風(fēng)化層中部至微風(fēng)化層。壩軸線處強風(fēng)化層下限埋深11～17m，弱風(fēng)化層下限埋深27～35m。重力壩型對兩岸開挖的深度較大，特別是右岸強、弱風(fēng)化層較厚，開挖工程量大。

面板堆石壩型對地基要求較低，壩基覆蓋層可部分作為大壩壩基，開挖工程量較小。

重力壩型在開挖后主要存在壩基基巖滲漏、繞壩滲漏、右岸沿輝2號帶滲透穩(wěn)定及開挖邊坡穩(wěn)定問題。滲漏及滲漏穩(wěn)定問題可通過帷幕防滲加以處理。由于兩岸，尤其右岸開挖厚度較大，開挖后易形成高邊坡，開挖邊坡的穩(wěn)定問題較為突出。壩址區(qū)基巖風(fēng)化存在差異性，在大的風(fēng)化帶有規(guī)律變化的情況下，各帶內(nèi)巖層間存在風(fēng)化程度的差異及突變，如弱風(fēng)化層中也可局部見到強風(fēng)化層，對開挖邊坡的穩(wěn)定及壩基穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。另外，輝2號帶與周圍巖石接觸帶附近部分地段巖石呈土狀，有可能沿該帶延伸方向產(chǎn)生錯動，影響右岸重力壩基及邊坡穩(wěn)定。

面板堆石壩型主要存在壩基覆蓋層和基巖滲漏、繞壩滲漏，壩基覆蓋層、基巖全強風(fēng)化層、右岸沿輝2號帶滲透穩(wěn)定及開挖邊坡穩(wěn)定問題。滲漏穩(wěn)定問題可通過面板及基巖帷幕灌漿防滲加以處理。由于兩岸開挖厚度較薄，其邊坡穩(wěn)定問題較重力壩型相對不突出，且開挖帶多處強風(fēng)化帶內(nèi)，其邊坡穩(wěn)定問題應(yīng)引起足夠重視。

總體來看，由于壩址區(qū)風(fēng)化程度較高，尤其是弱風(fēng)化層厚度較厚，且區(qū)內(nèi)風(fēng)化差異性明顯，重力壩型開挖量大，由此帶來的邊坡穩(wěn)定問題可能較突出，建議采用面板堆石壩型。

3 壩線優(yōu)化

初設(shè)階段通過對壩址區(qū)地質(zhì)進(jìn)一步勘察可知，左岸巖石較完整，風(fēng)化程度較輕，左岸巖性整體好于右岸。泄洪發(fā)電洞位于左岸，兼施工期導(dǎo)流，洞進(jìn)口和趾板之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)木嚯x以滿足施工圍堰布置，進(jìn)口位置上游約20m岸坡巖石破碎且覆蓋層較厚，上游發(fā)育一沖溝，進(jìn)口不宜向上游移動。從左岸來看，如果趾板線向上游移，會引起泄洪發(fā)電洞進(jìn)口位置上移，則隧洞進(jìn)口位置不合理，故趾板不宜向上游移動，即壩軸線不宜向上游移動。

可研階段的壩軸線距柏葉口村約500m，左岸布置溢洪道出口比較緊張，故壩軸線不宜向下游移動。

總之，可研階段初選的壩軸線比較合理。但由于壩址區(qū)有3個節(jié)理密集帶（從上游至下游分別為帶1、帶2、帶3）橫穿河谷，節(jié)理密集帶影響范圍內(nèi)巖石比較破碎，風(fēng)化程度嚴(yán)重。其中帶1與河谷趾板小角度相交，為避開該節(jié)理密集帶，將壩軸線逆時針旋轉(zhuǎn)4°，使河谷趾板線置于帶1和帶2之間較好的基巖上，旋轉(zhuǎn)以后的壩軸線左端控制點位置基本不變，右端向下游偏移約25m。

4 溢洪道優(yōu)化

通過現(xiàn)場查看定線，溢洪道進(jìn)口位于左壩端比較合適；出口上游側(cè)距下游壩腳約90m，下游側(cè)距柏葉口村居民區(qū)不遠(yuǎn)，出口位置基本沒有調(diào)整的余地。因此，可研階段溢洪道的軸線位置合理，初設(shè)階段溢洪道軸線位置不變。

受覆蓋層和其走向的影響，可研階段泄槽縱坡為1∶2和1∶4.25。初設(shè)階段根據(jù)鉆孔資料，將部分底板置于強風(fēng)化下部，泄槽縱坡1∶2.888。可研階段泄槽橫斷面的開挖為側(cè)墻頂以上10m，設(shè)2m寬馬道，馬道以上開挖邊坡為1∶0.7，以下為1∶0.5；初設(shè)階段考慮強風(fēng)化巖石穩(wěn)定性，開挖邊坡均采用1∶0.7，不設(shè)馬道。

可研階段泄槽穿320省道將挑流消能段置于公路外側(cè)，樁號0+150～0+212泄槽底板置于強分化表層和覆蓋層中，底板以下的覆蓋層用混凝土置換，強風(fēng)化層用固結(jié)灌漿處理。為將底板置于基巖和防沖，挑流消能段底板混凝土厚達(dá)5m，防沖齒墻深10m。初設(shè)階段地質(zhì)鉆孔資料顯示，原挑流消能段風(fēng)化程度和嚴(yán)重，強風(fēng)化深度在40m以上，挑流段上游10m處存在一大理巖墻，厚約12m，且風(fēng)化程度較輕，也比較抗沖，因此將挑流段向上游移至大理巖墻上，以減小挑流消能段的混凝土量，同時省去泄槽末段的混凝土置換和固結(jié)灌漿工程量。

在工程規(guī)模基本不變的前提下，通過優(yōu)化防洪調(diào)度方式，對溢洪道進(jìn)口控制段底高程1127.5m和1128m分別進(jìn)行調(diào)洪計算，其結(jié)果為設(shè)計洪水位和校核洪水位基本相同。因此，確定溢洪道進(jìn)口控制段的底高程為1128m，比可研階段抬高1m。

5 泄洪發(fā)電洞優(yōu)化

可研階段泄洪發(fā)電洞進(jìn)口位于壩軸線上游左岸，距壩軸線約200m，現(xiàn)場查看該處岸坡巖石比較完整，風(fēng)化程度較輕，同時能夠滿足洞進(jìn)口至上游壩腳之間布置施工圍堰的要求。洞出口位于柏葉口村下游約250m，隧洞泄洪不會危及居民安全，而且在洞出口與柏葉口村之間有較合適的位置可布置電站，整體來看，可研階段洞進(jìn)出口位置選擇較合理，初設(shè)階段進(jìn)出口位置不變，即洞軸線位置不變。

依據(jù)地質(zhì)資料，初步設(shè)計階段將洞進(jìn)口向上游移12.42m，洞出口向下游移45.58m，洞身段長600m，比可研階段延長57m。隧洞出口后通過急流槽跨320省道路將洪水泄入河道，按照新測地形圖，該公路已向洞線的下游側(cè)偏移，原挑流段位于路基下，所以適當(dāng)延長急流槽，使其跨過公路，再布置挑流段，最終急流槽的長度為42m（可研階段為65m）。這樣處理后，增加了洞挖方量，但減小了進(jìn)口段的開挖高度，有利于岸坡穩(wěn)定，減少了岸坡開挖量，總體上較為經(jīng)濟(jì)合理。

急流槽坡度1/20，底高程由1055m降至1052.9m，槽后接7.5m的挑流消能段，共49.5m，其中約有30m長的基巖面較低，急流槽底板以下有7m左右的砂礫石覆蓋層，考慮到泄洪對地基的沖刷和與公路交叉處的地基不均勻沉降問題，可研階段對急流槽下的砂礫石層采用大開挖換填混凝土基礎(chǔ)。由于該處地下水位較高，砂礫石開挖大部分屬水下開挖，會增加施工難度和開挖方量，經(jīng)分析比較，初設(shè)階段采用灌注樁基礎(chǔ)，垂直于急流槽軸線布置8排樁，每排3根，樁體深入基巖2～3m，這樣既解決了地基抗沖和跨公路橋不均勻沉降的問題，又避免了大開挖基坑涌水和工程量大的問題，節(jié)省了工程投資。

TV64

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1004-7042（2011）09-0031-02

趙卿元（1979-），男，2004年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院水工專業(yè)，助理工程師。

2011-07-14；

2011-08-16