強(qiáng)巖溶區(qū)混凝土面板堆石壩與上游圍堰結(jié)合布置的研究

劉鐔璞，杜 倩

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

向陽水庫工程位于重慶市云陽縣北部團(tuán)灘河干流上，壩址位于云陽縣江口鎮(zhèn)新華村五同岔，下距江口鎮(zhèn)約10 km，下距云陽縣城約40 km，云陽縣城至重慶距離310 km，交通便利。

向陽水庫是一座以城鄉(xiāng)供水和農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電，并為當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村振興創(chuàng)造條件的水利工程。壩址控制集雨面積約為242 km2，多年平均年徑流量為2.07億m3，多年平均流量為6.57 m3/s(1970年1月—2015年12月)。水庫死水位為390.00 m，正常蓄水位為456.00 m，調(diào)節(jié)庫容為0.90億m3，汛限水位為448.2 m，防洪庫容為0.174億m3，校核洪水位為458.27 m，總庫容為1.1億m3。工程由樞紐工程和輸水工程組成，其中，樞紐工程包括混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、進(jìn)水口、引水隧洞、壩后式地面廠房等。

2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

2.1 基本地形地質(zhì)條件

壩址位于團(tuán)灘河與支流帆水河交匯口下游，總體屬構(gòu)造—剝蝕、侵蝕中、低山地貌，為一地形上的隘口，上游河谷相對較狹窄，下游河谷較寬闊，河谷為稍不對稱的“U”型谷，團(tuán)灘河自NE16°流向SW16°。臨河第一岸坡左岸高程為506～630 m，右岸高程為618～787 m；河谷谷底高程約為330 m，河床寬約為55 m；正常蓄水位456 m處河谷寬約為450 m，河谷寬高比約為3.4。左岸高程392 m以下、460 m以上地形較緩，坡角約為22°，高程392～460 m坡角約為44°；右岸高程370 m以下地形陡峻，坡角為60°，高程370 m以上坡角約為28°。

壩址區(qū)處于馬槽壩背斜北翼，馬槽壩背斜軸線走向近EW，北翼巖層產(chǎn)狀一般340°～10°∠30°～40°，局部傾角較陡。地層走向與河流流向大角度相交，巖層總體呈中緩傾角傾上游偏右岸。地質(zhì)構(gòu)造形跡主要以層間褶曲、小規(guī)模斷層、裂隙為主。

2.2 壩址區(qū)巖溶勘察成果

在強(qiáng)巖溶區(qū)域內(nèi)布置建筑物，需綜合考慮地下巖溶對建筑物布置的影響。壩址區(qū)巖溶范圍見圖1。

圖1 壩址區(qū)巖溶范圍示意

3 大壩與上游圍堰布置方案的研究

向陽水庫工程壩型采用混凝土面板堆石壩，混凝土趾板作為面板壩防滲系統(tǒng)重要組成部分，與面板連接形成壩基以上的防滲體，同時趾板與經(jīng)過固結(jié)灌漿、帷幕灌漿處理后的基巖連成整體，封閉地面以下的滲流通道，形成完成的防滲體系。通過對壩址區(qū)地形地質(zhì)條件進(jìn)行分析，壩址區(qū)建壩主要存在3個問題：① 河床覆蓋層較深厚;② 存在發(fā)育較深的巖溶通道;③ 施工期圍堰防滲問題。為解決以上3個問題，需合理選擇壩線并研究大壩與上游圍堰的布置方案。

3.1 壩線擬定

由于壩址區(qū)分布有強(qiáng)巖溶管道，巖溶管道的處理存在不確定性，風(fēng)險較高，為確保防滲體系封閉，壩軸線的選擇原則上應(yīng)最大限度下移，盡量使趾板避開強(qiáng)巖溶區(qū)。根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，壩址區(qū)位于團(tuán)灘河與帆水河匯合口處，右岸地形較為平順，左岸地形在匯合口下游170～285 m處有一寬厚山脊，山脊上下游地形向兩側(cè)發(fā)生突變(見圖1)，壩軸線的選擇范圍較為有限，在確保其他主要建筑物合理布置的前提下，通過綜合分析，選擇在匯合口下游255 m處作為推薦壩軸線布置混凝土面板堆石壩，此時趾板可完全避開強(qiáng)巖溶區(qū)域。

3.2 大壩與上游圍堰布置方案擬定

在進(jìn)行工程布置研究時，需統(tǒng)籌考慮永久建筑物和臨時建筑物的布置，臨時建筑物的合理布置，不僅能有效降低工程施工風(fēng)險，還能節(jié)約工程投資，縮短施工工期。由于大壩為土石壩，壩區(qū)不具備明渠或分期導(dǎo)流條件，同時壩軸線兩岸基巖為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r互層，兩岸均具備布置導(dǎo)流隧洞的地形地質(zhì)條件，因此，施工導(dǎo)流采用圍堰1次攔斷河床，隧洞泄流的導(dǎo)流方式。

圍堰是一種臨時性水工建筑物，用來圍護(hù)永久水工建筑物的施工，在基坑排水后，形成干地施工條件，以保證永久建筑物施工順利進(jìn)行。圍堰需具有足夠的穩(wěn)定性、防滲性、抗沖性和一定的強(qiáng)度要求。圍堰雖是一種臨時性的擋水建筑物，但對工程施工的作用很重要，尤其是圍堰的防滲處理要安全可靠，否則，基坑滲水量大，大大增加基坑排水設(shè)備容量和費(fèi)用，影響工程施工進(jìn)度和安全。上游圍堰可采用全年圍堰和枯水期圍堰，考慮到大壩總填筑量約為600萬m3，施工過程中難以在1個枯水期將大壩填筑至度汛高程，同時混凝土面板堆石壩不宜過水度汛，因此，上游圍堰采用全年圍堰。

根據(jù)上述壩線擬定，大壩趾板雖可完全避開強(qiáng)巖溶區(qū)域，但按照常規(guī)工程布置思路，在壩體上游布置上游圍堰，圍堰堰體將全部位于強(qiáng)巖溶區(qū)域內(nèi)，此時需對堰體下的巖溶區(qū)域進(jìn)行處理。由于受地形條件的限制，壩軸線已無法繼續(xù)下移，若使圍堰的防滲布置避開巖溶區(qū)域，則需將上游圍堰與大壩結(jié)合布置。

基于此，針對大壩的防滲和上游圍堰的布置，擬定兩種方案，方案一為上游圍堰獨立布置方案，方案二為上游圍堰與大壩結(jié)合布置方案。對兩方案進(jìn)行比較。

1) 方案一：上游圍堰獨立布置方案

大壩采用混凝土面板堆石壩，河床、兩岸趾板均建在弱風(fēng)化基巖上。壩頂高程為459.00 m，最大壩高為137.00 m，壩頂長度為539.0 m，壩頂寬為10 m。大壩上游壩坡坡比為1:1.4，下游壩坡與進(jìn)廠公路相結(jié)合，設(shè)之字形馬道，馬道寬為4.5 m，下游壩坡設(shè)計坡比為1:1.25，考慮道路寬度后綜合坡比為1:1.48。上游圍堰軸線位于趾板X線上游140 m處，圍堰頂長為400.6 m，堰頂高程為367.1 m，堰頂寬為10.0 m，最大堰高為28.5 m，迎水面坡比為1:2.5，背水面坡比為1:2.0。迎水面坡腳采用拋塊石護(hù)腳。圍堰堰體采用開挖石渣料填筑，堰基防滲形式采用復(fù)合土工膜心墻下接塑性混凝土防滲墻。

由于圍堰堰體全部位于強(qiáng)巖溶區(qū)域內(nèi)，需對堰體下的巖溶進(jìn)行處理。地下巖溶的處理方式通常有兩種：① 采取清挖置換方式;② 采取灌漿方式進(jìn)行處理[1]。根據(jù)施工總進(jìn)度計劃，上游圍堰擋水時段為期1 a，至壩體填筑到達(dá)度汛高程后，由壩體進(jìn)行擋水。由于壩體擋水時間不長，若采用清挖置換方式，雖然是最有效最可靠的處理方式，但是地下溶洞最大深度超過 80 m，且分布不均勻，施工難度大，工程投資高，不經(jīng)濟(jì)，不宜采用；高壓灌漿方式在眾多類似工程中得到了廣泛應(yīng)用，在灌漿試驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高壓灌漿設(shè)計，可有效控制巖溶滲漏問題，但在施工過程中，需根據(jù)實際灌漿情況，控制好灌漿壓力。因此，針對上游圍堰的防滲，在防滲墻下部進(jìn)行高壓灌漿，灌注壓力控制在3～4 MPa[2]。

方案一大壩與圍堰的平面布置見圖2，典型斷面布置見圖3。

圖2 方案一大壩與圍堰平面布置示意

圖3 方案一大壩與圍堰典型斷面示意

2) 方案二：上游圍堰與大壩結(jié)合布置方案

為使上游圍堰防滲避開巖溶區(qū)域，則需將上游圍堰與大壩結(jié)合布置。混凝土面板堆石壩對地基要求較高，尤其對于高壩，趾板建基面一般需開挖至弱風(fēng)化層，因此極少有工程將混凝土面板堆石壩與上游圍堰結(jié)合布置。但國內(nèi)外有較多工程，由于受到地質(zhì)條件的限制，不具備將趾板建基面開挖至基巖的條件，但經(jīng)過論證和防滲處理后，可以將趾板建于覆蓋層上[3]。本方案利用趾板建在覆蓋層上原理，將上游圍堰與大壩進(jìn)行結(jié)合布置。

大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計同上述方案，但河床段大壩與上游圍堰結(jié)合布置，趾板基礎(chǔ)置于人工填筑的砂礫石層上，基礎(chǔ)高程為342.80 m，此時最大壩高采用壩軸線處最低的建基高程起算，為134.00 m。針對河床段壩基防滲，采用1.0 m厚垂直防滲墻進(jìn)行防滲，經(jīng)過壩基變形分析，防滲墻后設(shè)置4 m寬連接板和4 m寬趾板與面板相連，形成大壩的防滲體系。為對趾板下基礎(chǔ)進(jìn)行加固，防滲墻下游20 m范圍內(nèi)基礎(chǔ)采用高壓旋噴樁進(jìn)行處理，共布置10排間距2 m的高壓旋噴樁。高壓旋噴樁采用硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42.5，成樁后，樁體最小直徑不小于1.2 m，樁體 28 d 抗壓強(qiáng)度不小于3 MPa[4]。上游圍堰軸線位于趾板X線上游62 m處，圍堰頂高程為367.1 m，堰頂長為239 m，頂寬為10 m，最大堰高為32 m。圍堰防滲通過豎向土工膜和水平土工膜與防滲墻銜接。

方案二大壩與圍堰的平面布置見圖4，典型斷面布置見圖5。

圖4 方案二大壩與圍堰平面布置示意

圖5 方案二大壩與圍堰典型斷面示意

4 方案比選

從地質(zhì)條件、工程布置、施工條件、工程量及投資等方面對上述兩種方案進(jìn)行比較。

從地質(zhì)條件方面分析，兩方案大壩的地質(zhì)條件相同，僅上游圍堰存在不同，方案一圍堰堰體大部分在巖溶范圍內(nèi)，地下巖溶發(fā)育較為復(fù)雜，且深度較深，需進(jìn)行巖溶問題處理，方案二圍堰堰體雖有部分在巖溶范圍內(nèi)，但通過豎向和水平向土工膜的布置，圍堰的防滲與壩體防滲結(jié)合，有效回避了巖溶防滲問題。

從工程布置方面分析，方案一布置較為常規(guī)，但由于圍堰堰體位于巖溶范圍內(nèi)，圍堰防滲難度較大，同時由于河床段覆蓋層較為深厚，為保證趾板的布置，趾板建基面需開挖至弱風(fēng)化層，開挖工程量較大；方案二圍堰與大壩結(jié)合布置，類似于趾板建在覆蓋層上，國內(nèi)有較多趾板建在覆蓋層上的成功案例，但本方案的不同之處在于趾板下為圍堰填筑的砂礫石層，非天然地層，通過高壓旋噴灌漿，對趾板建基面進(jìn)行加固，因此趾板建基面的條件較天然覆蓋層好，同時該方案在降低壩高的同時，可以減少河床段趾板的開挖工程量。由于砂礫石層的穩(wěn)定性不如弱風(fēng)化巖石，趾板的應(yīng)力變形條件較為復(fù)雜，需要通過試驗和計算進(jìn)行充分論證。

從施工條件方面分析，方案一壩體和上游圍堰獨立布置，不存在建筑物之間的施工干擾，施工條件較好，但是圍堰的防滲難度大，存在堰體滲漏的風(fēng)險；方案二上游圍堰的填筑和河床段趾板的施工需同步進(jìn)行，在一個枯期內(nèi)需完成上游圍堰填筑、河床段趾板、防滲墻、防滲帷幕灌漿的施工，工期緊，施工強(qiáng)度大。

從工程量及投資方面分析，方案一與方案二上游圍堰的填筑量基本相當(dāng)，但方案一壩體填筑和開挖量均較方案二多，同時，方案一需對上游圍堰進(jìn)行高壓灌漿，灌漿工程量較大。經(jīng)計算，方案一壩體和上游圍堰的建筑投資為5.36億元，方案二壩體和上游圍堰的建筑投資為4.65億元，方案二較方案一節(jié)省0.71億元。

通過上述分析比較，方案二雖為軟基上建壩，壩基應(yīng)力變形條件較為復(fù)雜，且第一個枯期施工強(qiáng)度較大，但該方案將圍堰防滲與大壩防滲結(jié)合，有效避開了巖溶區(qū)域處理問題，降低了工程施工期圍堰滲漏風(fēng)險，同時該方案壩體填筑量、開挖量、灌漿工程量均較方案一少，大大減少了工程投資，方案具有可行性，且經(jīng)濟(jì)性較高。因此，推薦采用方案二。

5 結(jié)語

根據(jù)混凝土面板壩設(shè)計規(guī)范，趾板建基面一般宜置于堅硬的基巖上，但當(dāng)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件受到限制，為降低工程風(fēng)險，減少壩基開挖，也可將趾板建基面置于軟基上。本工程利用在覆蓋層上建壩的原理，將上游圍堰與河床段趾板結(jié)合布置，有效避開了上游圍堰在巖溶區(qū)域的防滲問題，同時減少了基礎(chǔ)開挖和壩體填筑量，大大節(jié)省了工程投資。但由于趾板基礎(chǔ)為人工填筑基礎(chǔ)，其與趾板的變形協(xié)調(diào)問題較為突出，還需要進(jìn)行詳細(xì)論證。