四方井水利樞紐工程壩線壩型方案比選

吳 平，吳學林，鄭文曉

(江西省水利規(guī)劃設計研究院，江西 南昌 330029)

1 工程概況

四方井水利樞紐工程[1- 2]位于江西省宜春市袁州區(qū)湖田鄉(xiāng)境內(nèi)，距宜春市區(qū)約7km，是一座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合效益的大(2)型水利樞紐。壩址以上控制流域面積約173km2，工程正常蓄水位152.00m(黃海高程，下同)，設計洪水位(P=1%)153.93m，校核洪水位(P=0.05%)154.38m，水庫總庫容約1.1861億m3。電站總裝機容量1500kW，水庫向宜春市年平均日供水量為30.9×104t。樞紐工程主要建筑物有攔河壩、副壩、輸水發(fā)電隧洞、發(fā)電廠房、溢洪道、供水建筑物等。主壩為2級建筑物，采用100年一遇洪水標準設計，2000年一遇洪水標準校核。工程區(qū)場地基本烈度低于6度，本工程主要建筑物按基本烈度設防。

大壩選址位于溫湯河下游的湖田鄉(xiāng)坪田村斫洲里河段，溫湯河主流與仙鞏河支流匯合后進入斫洲里河段，此河段總長約1.6km，呈兩頭窄、中間寬形態(tài)。水庫庫區(qū)地貌單元以構(gòu)造剝蝕低山和河流侵蝕堆積地貌為主，兩岸地形不甚對稱，河床一帶局部基巖裸露，地質(zhì)條件復雜，壩線及壩型的確定是該工程設計的一個難題。

2 主壩軸線比選

本階段擬定上、下兩條壩線進行比選，上壩線與壩址兩岸地形近乎垂直，下壩線與溫湯河流向幾近垂直。兩壩線共用右岸山體，將下壩線左岸壩肩向上游偏移約190m至上游一山頭，形成上壩線。上、下壩線平均距離約105m。

2.1 上壩線地形地質(zhì)條件

上壩軸線兩岸地形對稱性差，山體平均坡度約38°。壩軸線上游65m處、下游83m處各發(fā)育有較大的深切沖溝，壩軸線距上下游沖溝較近，地形完整性較差。右岸山體單薄，西、南、北三側(cè)臨河(溝)谷，壩軸線上游220m處為鳥山大沖溝，下游160m、400m處各發(fā)育有較大的深切沖溝。正常蓄水位152.00m時，上壩軸線河谷寬度295m。

壩址區(qū)位于武功山復背斜北翼，受強烈的構(gòu)造擠壓作用，發(fā)育多條斷層及個別小型褶曲，巖體節(jié)理裂隙亦較發(fā)育。受構(gòu)造擠壓、風化及溶濾作用影響，壩區(qū)石炭系及侏羅系巖體的中上部不同程度地發(fā)育有不同類型的構(gòu)造軟弱夾層，構(gòu)成壩區(qū)巖體工程地質(zhì)條件的主要薄弱環(huán)節(jié)。斷層、構(gòu)造軟弱夾層力學強度和變形模量較低，對壩基巖體的抗滑穩(wěn)定性及變形均不利[3]。

上壩線鉆孔巖溶率為1.93%，鉆孔遇洞率為30.0%，巖溶發(fā)育程度為弱，屬構(gòu)造帶巖溶，其發(fā)育及分布受斷層構(gòu)造控制，溶洞洞高為0.10～4.34m，埋深為7.60～33.91m，溶洞最大埋深處對應的底板高程為77.76m，埋深較淺對土石壩壩基穩(wěn)定影響較大。

上壩線斷層或其影響帶、溶洞發(fā)育處風化較強且厚度較大。全、強風化帶一般分布在兩側(cè)岸坡，河床及Ⅰ級階地底部受水流沖刷等作用，基本無全強風化巖體保留。左側(cè)岸坡表層全強風化層厚于右側(cè)，這主要是由左側(cè)岸坡地形完整性較差，兩岸巖性亦不同所致，左側(cè)岸坡弱風化上部下限埋深與右側(cè)基本相當。左側(cè)岸坡全、強、弱上風化下限平均埋深分別為6.25、12.01、22.20m；右側(cè)岸坡基本無全風化，強、弱上風化下限平均埋深分別為9.83、22.40m；河床及Ⅰ級階地弱上風化下限埋深平均為15.06m，斷層或溶洞處達42.1～47.3m。

左側(cè)壩肩地下水高程為145.81m，右壩肩地下水高程為122.69～134.26m，均低于正常蓄水位。壩基相對隔水層頂板埋深：左岸為12.9～26.9m，平均19.9m；河床及Ⅰ級階地一般為22.80～34.45m，平均28.6m；斷層破碎帶及其影響帶一般為39.2m；右岸一般為25.1～50.9m，平均38.0m。較高的地下水位沒可能破壞和侵蝕地下基礎工程，影響建筑物使用年限[4]。

2.2 下壩軸線工程地質(zhì)條件

下壩線左岸山體較雄厚，山體平均坡度為35°～40°，壩軸線上游80、220m處，下游280m處各發(fā)育有較大的深切沖溝，距離壩軸線較遠，地形完整性較好。右岸山體單薄，西、南、北三側(cè)臨河(溝)谷，壩軸線上游240m處為鳥山大沖溝，下游140、380m處各發(fā)育有較大的深切沖溝。正常蓄水位152.00m時，下壩軸線河谷寬度為316m。

下壩線巖溶率為1.88%，鉆孔遇洞率為18.2%，巖溶發(fā)育程度為弱，屬構(gòu)造帶巖溶，其發(fā)育及分布受斷層構(gòu)造控制，分布范圍較小。溶洞洞高為0.10～4.34m，埋深為19.40～33.91m，溶洞最大埋深處對應的底板高程為77.76m，埋深較深對土石壩壩基穩(wěn)定影響較小[5]。

下壩線巖體風化規(guī)律與上壩線相似，風化程度略低于上壩線。全、強風化帶一般分布在兩側(cè)岸坡，河床及Ⅰ級階地底部基本無全強風化巖體。左側(cè)岸坡表層全強風化層厚于右側(cè)，左側(cè)岸坡弱風化下部下限埋藏淺于右側(cè)，主要是由于右側(cè)山體單薄且構(gòu)造發(fā)育。左側(cè)岸坡全、強、弱上風化下限平均埋深分別為3.53、11.18、19.60m；右側(cè)岸坡多無全風化，強、弱上風化下限埋深分別平均為12.13、19.2m；河床及Ⅰ級階地弱上風化下限埋深平均為12.78m。

2.3 壩軸線選擇

壩軸線的選擇主要考慮地形地質(zhì)條件對工程安全的影響[6- 7]。就本工程而言，上、下壩軸線均具備修建土石壩的地質(zhì)條件，存在的地質(zhì)問題均可進行處理。然而，上壩軸線左岸山體較下壩軸線左岸山體單薄，且上壩軸線距上下游沖溝距離較近，地形完整性較差，導致上壩軸線左岸山體巖體風化程度較深。左側(cè)岸坡分布的強風化千枚巖、千枚狀變質(zhì)砂巖，右側(cè)岸坡分布的含炭粉砂及斷層破碎帶存在滲透穩(wěn)定問題。兩壩軸線巖溶發(fā)育程度均較弱，但上壩軸線鉆孔巖溶率及鉆孔遇洞率均高于下壩軸線，同時上壩線巖溶埋深較下壩線淺。下壩軸線在地形地貌、巖體風化及巖溶發(fā)育特征等地質(zhì)條件上均優(yōu)于上壩線，使得下壩線在建基面埋深及繞壩滲漏問題等方面亦優(yōu)于上壩線[8]。綜合區(qū)內(nèi)地形、地質(zhì)條件，下壩線建壩條件略優(yōu)于上壩軸線，故選定下壩線作為推薦壩線。

3 主壩壩型比選

根據(jù)下壩線地形地質(zhì)條件及當?shù)靥烊唤ㄖ牧戏植?、質(zhì)量、儲量及開采運輸條件等，對壩型進行進一步比選。由于兩岸山體較為單薄，巖體質(zhì)量一般，且在壩基及右壩肩存在次生軟弱夾層，壩址位于宜春中心附近，大面積黏土土料場征地困難，且對環(huán)境造成較大影響，不具備建拱壩和均質(zhì)土壩的條件。壩基地層巖性為震旦系千枚狀變質(zhì)砂巖夾千枚巖等，強度和抗變形能力差，同時受斷層影響，壩基巖體破碎，加之石炭系及侏羅系地層中發(fā)育多條構(gòu)造軟弱夾層，對重力壩壩基變形及抗滑穩(wěn)定均不利，地基處理工程量較大，投資較高。因此，擬采用黏土心墻壩、瀝青混凝土心墻壩及混凝土面板堆石壩三種壩型進行比選。

3.1 壩型及布置方案

樞紐布置格局為主河床布置主壩，發(fā)電廠房及供水管線布置于右岸壩下游300m處，為地面廠房，電站進水口布置于右岸山頭，岸塔式布置，隧洞引水。溢洪道布置于右壩肩埡口處。

主壩按100年一遇洪水設計，2000年一遇洪水校核，相應壩前最高水位分別為153.93m和154.38m。根據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》[9]有關規(guī)定，壩頂高程為水庫靜水位與壩頂超高之和，按設計洪水位加正常運用情況的壩頂超高情況與校核洪水位加非常運用情況的壩頂超高情況取較大值。通過計算，取壩頂高程為155.80m，防浪墻墻頂高程為157.00m。

3.1.1黏土心墻壩

黏土心墻壩河床建基面高程104.50m，最大壩高51.30m，壩頂寬度8.0m，壩頂上游側(cè)設置高1.2m的防浪墻，壩頂總長338m。心墻防滲體上下游面坡比相同，均為1∶0.25，心墻上下游側(cè)設置3.0m寬反濾層。大壩上游壩坡坡比1∶1.8，采用格賓石籠護坡；下游坡比1∶2.2，采用TBS(植被綠化)護坡，在116.50m高程處設棱體排水平臺。大壩壩體主要分堆石1區(qū)、堆石2區(qū)及黏土心墻，心墻基礎設置帷幕灌漿和C25混凝土基礎。

3.1.2瀝青混凝土心墻壩

瀝青混凝土心墻壩河床建基面高程104.50m，最大壩高51.30m，壩頂寬度8.0m，壩頂總長338m。瀝青混凝土心墻厚度為0.6m，心墻兩側(cè)過渡層水平寬度3.0m。大壩上游壩坡坡比1∶1.8，采用格賓石籠護坡；下游坡比1∶2.2，采用TBS護坡，在下游116.5m處設置堆石棱體排水。大壩壩體主要分堆石1區(qū)、堆石2區(qū)及黏土心墻，心墻基礎設置帷幕灌漿和C25混凝土基礎。

3.1.3混凝土面板堆石壩

面板堆石壩堆石區(qū)以強風化巖體作為建基面。趾板區(qū)左側(cè)岸坡以強風化中下部作為建基面，右側(cè)岸坡中下部以弱風化上部作為建基面，右側(cè)岸坡上部以強風化中下部作為建基面，河床及Ⅰ級階地區(qū)域以弱風化上部巖體作為建基面。根據(jù)河床段趾板基礎地質(zhì)條件，擬定河床建基面高程103.00m。壩體最大壩高52.80m，壩頂長度335.0m，壩頂寬8.0m，壩底寬約151.36m。鋼筋混凝土面板頂高程153.70m，面板厚30～60cm，每塊面板寬度10.0m。墊層料和過渡料水平寬度分別為3.0m和4.0m?；炷林喊鍖?.0～7.0m，厚度為1.0m。大壩上下游邊坡坡比均為1∶1.4。

3.2 工程量及投資

黏土心墻壩、瀝青混凝土心墻壩及面板堆石壩的工程量見表1。

從表1中可看出，面板堆石壩雖不用填筑心墻，但在壩體堆石、土方開挖、帷幕灌漿等工作量上均遠大于黏土心墻壩和瀝青混凝土心墻壩，因此其工程總投資也是最高，為145515萬元。黏土心墻壩和瀝青混凝土心墻壩工程量相差不大，二者投資分別為141857萬元及142564萬元。

表1 各壩型主體工程量

3.3 壩型選擇

下壩線的地形地質(zhì)條件及天然建筑材料條件修建黏土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩和瀝青混凝土心墻壩三種壩型均可行，基本無制約條件。

從壩型結(jié)構(gòu)條件來看，黏土心墻壩對地質(zhì)條件要求低，開挖料可直接用于筑壩，但需從距壩址約5.2km料場處開采黏土作防滲料；瀝青混凝土心墻壩對地質(zhì)條件要求低，同時，天氣對大壩填筑影響較小[10]，但瀝青混凝土作為心墻的費用較高；混凝土面板堆石壩可就近取料，但堆石料場料源呈層狀不均勻分布，分層開采難度大，開挖料的利用量較黏土心墻堆石壩、瀝青混凝土心墻壩少，且趾板區(qū)內(nèi)存在的構(gòu)造軟弱夾層、巖溶、大斷層均需專門處理，防滲處理工程量大。

從施工條件方面來看，三種壩型均可采用機械化施工，施工速度快且施工質(zhì)量穩(wěn)定[11]。黏土心墻壩對黏土料需求量較大，根據(jù)勘測，清沙灣土料場防滲料儲量為45萬m3，能夠滿足要求。瀝青混凝土心墻的施工需增加瀝青混凝土拌合系統(tǒng)和專用的輕型碾壓設備，碾壓溫度需嚴格控制，程序較為復雜。面板堆石壩由于壩址河谷狹窄，兩岸陡峻，邊坡開挖設計線路較長，且邊坡位于卸荷帶內(nèi)，開挖邊坡穩(wěn)定性差，施工難度較大[12]。

從工程量及投資來看，黏土心墻壩、瀝青混凝土心墻壩工程量及投資均相差不大，面板堆石壩由于開挖料利用率較低及趾板區(qū)的軟弱夾層、巖溶等問題，土方開挖量及防滲處理工程量大，工程投資也較大。

綜合對比三種壩型的地質(zhì)條件、施工條件及工程投資，選擇黏土心墻壩為推薦方案。

4 結(jié)語

四方井水利樞紐工程是國家規(guī)劃“十二五”和“十三五”期間分步建設的172項重大水利工程項目之一[13]，工程建成后將成為宜春市居民的主要飲用水水源地，可發(fā)揮出巨大的防洪效益、民生效益及生態(tài)效益。

作為樞紐工程主體的主壩工程，壩線及壩型選擇關系到工程的整體安全性，在考慮大壩安全運行的同時兼顧工程建設的經(jīng)濟性，需同時對比分析工程區(qū)地形地質(zhì)條件、壩體安全、施工條件及工程投資等方面，綜合確定。

本工程通過綜合分析工程區(qū)地形地質(zhì)條件、壩體安全、施工條件及工程投資等方面，選擇下壩線方案為推薦壩線，黏土心墻壩為推薦壩型。