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行比較。進入初步設(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)電洞進口位置上移，則隧洞進口位置不合理，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，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，對溢洪道進口控制段底高程1127.5m和1128m分別進行調(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，可研階段洞進出口位置選擇較合理，初設(shè)階段進出口位置不變，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