吳 平，吳學(xué)林，鄭文曉

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jìn)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(fù)雜，壩線及壩型的確定是該工程設(shè)計(jì)的一個(gè)難題。

2 主壩軸線比選

本階段擬定上、下兩條壩線進(jìn)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(shí)，上壩軸線河谷寬度295m。

壩址區(qū)位于武功山復(fù)背斜北翼，受強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用，發(fā)育多條斷層及個(gè)別小型褶曲，巖體節(jié)理裂隙亦較發(fā)育。受構(gòu)造擠壓、風(fēng)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(xué)強(qiáng)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(yīng)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(fēng)化較強(qiáng)且厚度較大。全、強(qiáng)風(fēng)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(qiáng)風(fēng)化巖體保留。左側(cè)岸坡表層全強(qiáng)風(fēng)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(fēng)化上部下限埋深與右側(cè)基本相當(dāng)。左側(cè)岸坡全、強(qiáng)、弱上風(fēng)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(fēng)化，強(qiáng)、弱上風(fēng)化下限平均埋深分別為9.83、22.40m；河床及Ⅰ級階地弱上風(fēng)化下限埋深平均為15.06m，斷層或溶洞處達(dá)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(chǔ)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(yuǎn)，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(shí)，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(yīng)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(fēng)化規(guī)律與上壩線相似，風(fēng)化程度略低于上壩線。全、強(qiáng)風(fēng)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(qiáng)風(fēng)化巖體。左側(cè)岸坡表層全強(qiáng)風(fēng)化層厚于右側(cè)，左側(cè)岸坡弱風(fēng)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(qiáng)、弱上風(fēng)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(fēng)化，強(qiáng)、弱上風(fēng)化下限埋深分別平均為12.13、19.2m；河床及Ⅰ級階地弱上風(fēng)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(jìn)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(dǎo)致上壩軸線左岸山體巖體風(fēng)化程度較深。左側(cè)岸坡分布的強(qiáng)風(fēng)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(shí)上壩線巖溶埋深較下壩線淺。下壩軸線在地形地貌、巖體風(fēng)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(dāng)?shù)靥烊唤ㄖ牧戏植?、質(zhì)量、儲量及開采運(yùn)輸條件等，對壩型進(jìn)行進(jìn)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(qiáng)度和抗變形能力差，同時(shí)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(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核，相應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范》[9]有關(guān)規(guī)定，壩頂高程為水庫靜水位與壩頂超高之和，按設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用情況的壩頂超高情況與校核洪水位加非常運(yùn)用情況的壩頂超高情況取較大值。通過計(jì)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(shè)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(shè)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(hù)坡；下游坡比1∶2.2，采用TBS(植被綠化)護(hù)坡，在116.50m高程處設(shè)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(chǔ)設(shè)置帷幕灌漿和C25混凝土基礎(chǔ)。

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(hù)坡；下游坡比1∶2.2，采用TBS護(hù)坡，在下游116.5m處設(shè)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(chǔ)設(shè)置帷幕灌漿和C25混凝土基礎(chǔ)。

3.1.3混凝土面板堆石壩

面板堆石壩堆石區(qū)以強(qiáng)風(fēng)化巖體作為建基面。趾板區(qū)左側(cè)岸坡以強(qiáng)風(fēng)化中下部作為建基面，右側(cè)岸坡中下部以弱風(fēng)化上部作為建基面，右側(cè)岸坡上部以強(qiáng)風(fēng)化中下部作為建基面，河床及Ⅰ級階地區(qū)域以弱風(fēng)化上部巖體作為建基面。根據(jù)河床段趾板基礎(chǔ)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(yuǎn)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(shí)，天氣對大壩填筑影響較小[10]，但瀝青混凝土作為心墻的費(fèi)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(jī)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(shè)備，碾壓溫度需嚴(yán)格控制，程序較為復(fù)雜。面板堆石壩由于壩址河谷狹窄，兩岸陡峻，邊坡開挖設(shè)計(jì)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(shè)的172項(xiàng)重大水利工程項(xiàng)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(guān)系到工程的整體安全性，在考慮大壩安全運(yùn)行的同時(shí)兼顧工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，需同時(shí)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。