猴子巖水電站壩址不良地質條件與壩型方案論證

陳 春 文， 何 萬 通

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.水電水利規劃設計總院，北京 100120)

0 引 言

水利水電建設中，壩型選擇至關重要。壩型選擇合理，則造價低、建壩速度快、質量好；壩型選擇不當，則造價高，建壩工期長，質量次，甚至被迫停工修補，損失巨大。對水利水電工程壩型的選擇，通常提出幾個可行性壩型，通過對相關影響因素分析，憑地質條件適宜性，工程造價的大小，或施工條件的好壞等進行壩型選擇。

一般而言，水利水電工程壩型比選涉及因素包括：庫區地形條件、地質條件、樞紐布置方案、抗震因素、導流方案、施工技術方案、施工干擾度、施工工期、工程造價、水利生態環境、材料價格及材料運輸費用、料場的選擇利用及開采程度、防洪度汛、運行管理及日后維修維護費用等[2]，可謂涉及面廣，影響因素多。而當前我國大型水電工程壩型主要在混凝土或碾壓混凝土重力壩及拱壩、土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩等中進行比選。以位于西南山區的大渡河上所建電站為例，雙江口水電站主要對土質心墻堆石壩與拱壩進行了比選并最終選擇心墻堆石壩，大崗山水電站主要對拱壩及混凝土面板堆石壩兩種壩型進行了比選并最終選擇拱壩，長河壩水電站則比選了礫石土心墻堆石壩、礫石土斜心墻堆石壩和瀝青混凝土心墻堆石壩三種當地材料壩，并最終選定為礫石土直心墻堆石壩。而本文的研究對象，同樣建于大渡河之上的猴子巖水電站則主要對混凝土面板堆石壩、土質心墻堆石壩及拱壩進行了比選，并最終選定為混凝土面板堆石壩。

1 壩區地質的基本特性

猴子巖水電站 壩址區河谷狹窄，呈對稱的“V”型?？菟诤铀? 694 m～1 697 m，河面寬約65 m；正常蓄水位1 842 m時，相應河面寬350 m～380 m。兩岸地形陡峻，臨河坡高大于800 m，呈上緩下陡。左岸1 900 m高程以下坡度一般60°～65°，以上緩至30°～40°；右岸2 000 m高程以下坡度一般55°～60°，以上緩至40°～50°。出露地層主要為志留系上統的鈣質絹云石英片巖、泥質白云巖，以及泥盆系下統的變質碳酸鹽巖。壩址區第四系沉積物以河床沖洪積為主，崩坡積和支溝洪積次之，此外還發育堰塞湖相堆積與冰水堆積，構成一般厚度達41.2 m～67.8 m，最大厚度75.2m的河床深厚覆蓋層。

壩址區地層經多次構造變動，巖石發生不同程度區域變質，層理、片理及層間褶皺較發育，地層總體產狀由N40°～60°E/NW∠30°～45°逐漸轉向為N80°E/NW∠30°～45°，局部產狀變化較大。壩址區發育SE向延伸的區域斷裂F0，出露于左岸壩線上游，主斷帶寬15.5 m，構造巖主要為碎粒巖——碎粉巖；二級結構面F8-2，分布于左岸壩線上游斜坡處，斷層寬約5 m，NNW向延伸，構造巖為碎粒巖——碎粉巖；以及一些次級小斷層、層間擠壓破碎帶及節理裂隙等。工程場地不具備發生強震及中強震的地質構造條件，地震危險性主要來自外圍強震活動的影響波及。根據工程場地地震安全性評價結果，猴子巖水電站工程場地50年超越概率10%基巖水平峰值加速度為141 gal，相應的地震基本烈度為Ⅶ度，100年超越概率2%基巖場地水平峰值加速度為297 gal，區域構造穩定性差。

2 不良地質條件分析

上述壩址地質條件是壩型選擇的基本因素，而不良地質現象及主要工程地質問題是壩型成立的決定性因素，兩者結合起來的綜合因素構成建壩基本條件。猴子巖壩區制約壩型比選的不良地質條件主要包括河床深厚覆蓋層、壩前右岸潛在活動性泥石流溝、壩后左岸巨型冰水堆積體等方面。

2.1 河床深厚覆蓋層

壩址河床覆蓋層最大厚度為75.2 m，多層結構，中上部、下部主要為砂礫石層，中部夾一最厚可達29.5 m的粘質粉土層，作為壩基將存在不均勻變形、滲透穩定和砂層地震液化等問題。由于第②層(見圖1)粘質粉土層是覆蓋層中工程地質性狀最差的部分，該土層中0.075 mm～0.005 mm粒徑組的粉粒含量一般為56.0%～72.4%，小于0.005 mm粒徑的粘粒含量一般為14.2%～21.0%，含水率一般為16.2%～26.0%，平均孔隙比0.623，屬密實土。經標貫試驗得到其承載力標準值fk為160 kPa～170 kPa，經三軸剪切試驗得到其內摩擦角為22.0°～28.2°，凝聚力為0.01 MPa～0.04 MPa。室內壓縮試驗所得的壓縮系數值ɑ1-2為0.137 MPa-1～0.308 MPa-1，屬中壓縮性土。室內滲透變形試驗測得其滲透系數1.40×10-6cm/s～2.33×10-5cm/s，微透水。根據上述試驗結果判別，該層承載、抗變形及抗剪強度均不高，存在不均勻沉降和抗滑穩定問題。根據振動液化判別規定，該層為可能液化層，因其滲透系數較低，在施工期和地震情況下，產生的超孔隙水壓力不能及時排除，將引起土層抗剪強度劇烈降低產生剪切變形，不可直接作為壩基。此外，就顆粒較粗、孤石多、局部架空明顯、滲透性強的其他三個砂礫石層而言，其抗滲透破壞能力也較低，存在接觸沖刷和管涌破壞。

我國在深厚覆蓋層上建壩的工程實踐很多，對于覆蓋層壩基處理積累了豐富的工程經驗，主要措施包括挖除，部分挖除加灌漿，振沖加固等。例如同為大渡河上，建基于最大厚度78 m覆蓋層上的瀑布溝電站，采取了開挖與灌漿處理等措施；建基于最大厚度79 m覆蓋層上，壩高達240 m的長河壩電站，對覆蓋層采取了挖除砂層保留大部分覆蓋層的處理方案；田灣河上的仁宗海堆石壩針對覆蓋層表層深度20 m的淤泥質壤土層，原設計采取全部挖除方案，在工程實踐階段改為振沖碎石樁進行了加固處理，取得良好效果。因此，針對猴子巖壩址的深厚覆蓋層問題，在后期壩型選擇的同時配合特定壩型要求進行工程處理即可。

圖1 猴子巖河床覆蓋層層次結構

2.2 壩前右岸潛在活動性泥石流溝

壩前右岸發育磨子溝，溝口距壩軸線約700 m，溝口高程1 712 m，主溝長約14 km，發源于高山冰斗海子，流域面積約19.4 km2。磨子溝出口較窄，溝內寬敞，平面形態呈“喇叭”形，谷底為斜坡地貌，總體坡度約21°。從溝谷形態、溝內堆積物特性及物質組成來看，磨子溝為一典型的冰川谷，堆積物以冰磧物為主。高程2 370 m上發育U形谷谷底緩平臺，磨子溝村坐落其上。該平臺以下溝段內堆積物豐富，鉆孔揭示最厚堆積達93.4 m。堆積物以含塊碎石土為主，顆分試驗結果表明，碎、礫石含量較高，可占95%，塊碎石原巖主要為大理巖。

磨子溝兩側坡均為穩定性良好的巖質坡，沒有發生大規?；隆⒖逅炔涣嫉刭|現象的可能，為發生泥石流提供大量較新松散物源可能性小，泥石流的主要物源來自暴雨期坡面片流對現代小沖溝兩側溝壁松散物質的掏刷。綜合分析磨子溝的溝谷形態、堆積物發育分布、溝谷水力特征、流域植被發育、不良地質現象、可啟動物質等多方面因素，認為磨子溝現今不存在發生大規模泥石流的可能，僅2 370 m高程以下溝段在汛期特大暴雨條件下有發生小規模稀性泥石流的可能。按不同年度頻率的暴雨洪水峰值流量進行計算預測，磨子溝在20年一遇、50年一遇、100年一遇和200年一遇的暴雨條件下，泥石流的堆積長度約為148.5 m、170.0 m、201.5 m和225.4 m，堆積方量分別為32 354.3 m3、48 631.4 m3、80 885.7 m3和113 240.0 m3。此外，水庫正常蓄水后，溝內堆積物前緣被水淹沒，可形成庫岸塌岸。由于泥石流溝距離壩址較近，在壩型選擇過程中，應考慮泥石流和塌岸的可能，并結合上游圍堰布置，盡量避免壩前固體物質運動對大壩基坑施工及大壩運行安全產生影響。

2.3 壩后左岸巨型冰水堆積體

壩后左岸分布有泥洛堆積體和角壩堆積體，規模較大。泥洛堆積體位于泥洛村附近岸坡，分布高程1 700 m～2 500 m，后部呈明顯的冰斗地形。堆積體前緣順河向寬度480 m～530 m，后緣寬度約400 m，堆積厚度大，一般為50 m～80 m，體積約5 800萬m3。其上游側以陡坡前緣一條淺緩沖溝為界，下游側以泥洛溝為界，溝谷深切，深達50 m～100 m。堆積物主要為含塊碎礫石土層，結構密實，滲透性較差，降雨匯水大部分沿沖溝排泄入河，入滲有限，坡體物質較干燥，邊坡未見變形破壞跡象，總體上為一古老的冰水堆積，現狀整體穩定。根據壩址樞紐建筑布置構想，泥洛堆積體可能位于左岸泄洪消能的霧化區范圍，計算分析泄洪雨霧對堆積體邊坡的影響，得到邊坡處于極限穩定狀態。角壩堆積體緊鄰泥洛溝下游邊界，主體傾向泥洛溝，后緣高程2 420 m，前緣高程1 740 m，地形坡度30°～35°。縱向長1 600 m，橫向寬480 m，平面堆積較大，一般厚度14 m～25 m，體積約1 000萬m3。堆積體成因為冰水積，堆積物與泥洛堆積體基本相同，為灰黃色含塊碎礫石土層，結構密實，邊坡未見變形破壞跡象，現狀整體穩定。同樣對其進行泄洪雨霧工況穩定性計算，得到邊坡處于穩定狀態。

泥洛堆積體和角壩堆積體在天然條件下處于整體穩定狀態，在泄洪雨霧工況下也處于穩定～極限穩定狀態，但安全裕度不大。泄水過程的長期霧化，會對之穩定性產生影響。因此，在壩型選擇過程中，一是考慮霧化區盡量避開堆積體，減少泄洪雨霧對堆積體邊坡穩定的弱化，例如拱壩的壩身泄水便可拉開與堆積體的距離；二是與特定壩型配套的泄洪建筑布置將受到堆積體的制約，鑒于其散體結構，地下洞室不易穿過堆積物內部，地表泄洪也不宜布置于坡體之上。

3 可選壩型方案比選

針對猴子巖壩址區的地質條件，主要有面板堆石壩、礫石土心墻堆石壩和混凝土雙曲拱壩三種壩型較為合適。三種壩型對建壩地質條件的要求是不同的，對面板堆石壩而言，建壩條件主要研究兩方面的因素：一是趾板巖體的強度、滲透、穩定性，二是壩基巖體的強度、變形、抗滑及滲透穩定。由于西南地區地形地質條件復雜，交通運輸困難，缺乏防滲土料等因素，混凝土面板堆石壩常是最為經濟的選擇。心墻堆石壩對壩基要求相對不高，其關鍵問題主要是土心墻料的強度和抗滲流穩定等問題。因其適應地基變形能力強，施工方法選擇靈活，筑壩材料就地取材，在大壩填筑量不到總工程量的50%時第一批機組可在低水頭下投放運行等特點，高心墻堆石壩得以廣泛采用，在建的雙江口心墻堆石壩壩高將達320 m，已建的糯扎渡心墻堆石壩最大壩高也達到了261.5 m。拱壩除對地形有較嚴格要求外，建壩條件主要研究三方面：一是壩基巖體的強度和變形特性，二是壩基和壩肩巖體的抗滑穩定性，三是壩基巖體的滲透穩定性?；炷凉皦卧诟纳平Y構應力分配、節省混凝土材料上有非常明顯的優點，在我國得到廣泛應用，特別是高壩水庫中應用比例較高。

對猴子巖電站壩址區前述主要工程地質問題做可靠處理后，均具備修建面板堆石壩、礫石土心墻堆石壩和拱壩的條件，各方案的工程考慮如下：

(1)面板堆石壩方案趾板區將挖除河床覆蓋層，基礎置于基巖上，壩殼亦將挖除覆蓋層第②層粘質粉土及以上層。相對心墻堆石壩，設計壩坡較陡，基坑開口線距磨子溝較遠，約126 m，可避免磨子溝泥石流問題，但存在深基坑穩定和涌水問題。針對壩后左岸泥洛堆積體穩定問題，因無法將泄洪洞室置于堆積體內部，亦不宜在堆積體坡表設置開敞式溢洪道，將泄洪出口置于堆積體上游，對堆積體采取上部減載、前緣支擋、霧化區護坡封閉及排水等處理措施。

(2)礫石土心墻堆石壩方案心墻區亦將挖除河床覆蓋層，壩殼置于較密實的河床第①層含漂(塊)卵(碎)砂礫石層上。鑒于設計壩坡較面板堆石壩緩，基坑開口線距磨子溝較近，約60 m，同時存在深基坑穩定和涌水問題。若對心墻堆石壩河床覆蓋層采取振沖方案，可避免深基坑穩定問題和磨子溝泥石流的影響。但因河床第②層粘質粉土層埋深及厚度較大，性狀差，分布廣，處理難度較大。由于壩址區河谷狹窄，機械設備的容納空間極小，道路修筑條件差，采取振沖方案施工速度慢，將嚴重耽誤工期。礫石土心墻堆石壩方案存在的較大問題是，心墻土料需要從下游13 km外的土料場運取，需征用土地600余畝，土料的開采運輸對當地環境影響較大。相對而言，面板堆石壩方案可減少填筑400萬m3，且無需征用土料場。

(3)拱壩方案壩基需全部挖除河床覆蓋層，基坑范圍相對較小，上游圍堰置于磨子溝口下游，基本避開泥石流的影響。大壩距下游泥洛堆積體相對較遠，并可充分利用壩身泄洪，減輕對泥洛堆積體沖刷及霧化邊坡穩定的影響。但存在拱肩槽、壩頂以上纜機平臺等高邊坡和河床深基坑穩定問題，且鑒于巖體透水率q≤1 Lu相對抗水層埋深大，壩基防滲工程量較大。由于拱壩方案對勘察深度的要求遠高于堆石壩方案，為滿足拱壩設計需要，將補充許多勘察工作，工期相應面板堆石壩方案延長一年，同時將增加工程靜態投資和動態投資。相對而言，面板堆石壩方案具有工期短、投資省、收益早的明顯優點。

4 面板堆石壩方案的實施

可研階段壩型選擇報告的最終審查中，確定將混凝土面板堆石壩作為猴子巖電站的壩型方案，最大壩高223.5 m，樞紐建筑物主要由攔河壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水發電系統等組成。大壩主要由趾板(6 m寬趾板+防滲板)、面板及其接縫止水系統、大壩填筑體、壩頂防浪墻等組成。大壩上游設置鋪蓋，下游壩腳設置壓重體。大壩填筑體870萬m3，上游鋪蓋66萬m3，下游壓重體56萬m3，總填筑工程量992萬m3，混凝土面板面積5.95萬m2，接縫總長7 650 m。對于壩基的處理方案如下：趾板至壩軸線附近河床開挖至基巖，其中趾板、防滲板部位開挖至新鮮或弱風化巖。碾壓混凝土圍堰至其上游150 m范圍內的河床開挖至基巖，壩體中部河床保留，清除表面淤泥、污物，砂卵覆蓋石層強夯。兩岸壩坡按設計要求進行植被及覆蓋層清理，對局部坡度較陡或反坡位置進行削坡或用漿砌石補坡至設計坡比。最后對粘質粉土層進行了開挖處理，采取平面分區、立體分層施工方法，通過在左側岸邊深挖先導槽，形成左岸排水深溝，引導、排除基坑滲水，使粘質粉土得以固結，再輔以砂礫料置換和分層開挖方式。最終于2013年4月中旬完成大壩基坑開挖，比計劃工期提前40天[3]。

經過業主單位的精心籌劃、參建各方的細致工作以及咨詢審查專家的跟蹤把關，猴子巖電站首臺機組于2016年底順利并網發電，充分證明猴子巖面板堆石壩的壩型方案選擇是成功的。

5 結 語

水利水電工程建設中的壩型選擇問題因其涉及因素眾多，建成之后的技術與經濟性評價不易，歷來爭議較多，因此，在壩型選擇階段就應抓住關鍵，全面權衡，作出科學決策。通過猴子巖電站預可研、可研、壩型比選及施工階段工作的參與，對深厚覆蓋層上高壩大庫壩型方案的選擇得出以年結論：

(1)水電工程界在深厚覆蓋層上建壩方面積累了豐富的經驗，這些經驗一方面對于指導地質條件類似地區大壩建設具有重要意義，但另一方面還應結合場區不良地質條件進行細致比選。猴子巖電站在可研設計初期，曾考慮借鑒下游瀑布溝的經驗選用最大壩高155 m的碎石土心墻壩，隨著勘察設計工作的深入，最終選擇面板堆石壩并取得良好工程效益。

(2)壩基部位厚度較大、強度和承載力較低的粘質粉土層，容易出現局部剪切破壞甚至整體滑動的危險。修建大壩時需采取措施提高地基強度，以降低軟土的壓縮性，減少壩體變形及不均勻沉降，防止壩體產生裂縫。處理辦法最好是挖除軟弱地基，也可采取換砂、壓重或砂井法，同時控制填土速率，還可采用振沖碎石樁或強夯等加固方法。

(3)我國面板堆石壩建壩數量多，當前正朝著300 m級高面板堆石壩、高寒地區面板堆石壩、高地震烈度區面板堆石壩建設發展，無論壩高、填筑規模還是技術難度都處于世界前列。而關于深厚覆蓋層上面板堆石壩滲漏量監測、高水頭下堆石料力學特性、滲透特性及長期變形特性試驗等方面仍是技術難題，還應加強研究。