萇登侖

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

西域礫巖廣泛分布于新疆的天山、昆侖山山麓地帶[1]。西域礫巖屬軟巖，具遇水軟化、崩解特性[2]，巖性較差，其所在河道地形多呈河谷深切，岸坡陡立的特點(diǎn)，形成峽谷地形特征。為滿足樞紐布置、交通及高邊坡穩(wěn)定等要求，岸坡開(kāi)挖工程量一般較大。但過(guò)量的開(kāi)挖可能造成挖填失衡，形成大量棄土、棄渣，給環(huán)境造成不利影響，巨大的開(kāi)挖量增加了工程投資，使得工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降，因此，在這種峽谷地形條件下，樞紐布置、建筑物型式如何選取，高邊坡、卸荷裂隙、沖溝問(wèn)題如何采取適應(yīng)性措施策略，才能適應(yīng)不利的地形條件，保證工程安全，值得研究。迪那河五一水庫(kù)工程壩址區(qū)地層巖性以西域礫巖為主，地形條件為典型的峽谷地形，工程設(shè)計(jì)中所遇到的問(wèn)題在類似水利水電工程中相比較為突出。

1 工程概況

迪那河流域位于新疆中西部，地跨新疆巴音郭楞蒙古自治州的輪臺(tái)縣與阿克蘇地區(qū)庫(kù)車縣。出山口以上流域面積1615km2，出山口以上河道長(zhǎng)度約85km。迪那河徑流補(bǔ)給以高山冰雪融水為主、降水和泉水次之。

迪那河五一水庫(kù)樞紐工程是迪那河干流上的控制性工程，具有供水、灌溉、防洪兼顧發(fā)電等綜合效益。水庫(kù)工程由大壩、溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、發(fā)電引水系統(tǒng)和供水管線等主要建筑物組成，水庫(kù)正常蓄水位1370.0m，最大壩高102.5m，總庫(kù)容0.995億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.591億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)。工程規(guī)模屬中型，工程等別為Ⅲ等；大壩為2級(jí)建筑物，泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物、供水管線建筑物為3級(jí)，次要建筑物及臨時(shí)建筑物為4級(jí)。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，大壩設(shè)防烈度Ⅷ度，其他主要建筑物設(shè)防烈度Ⅷ度。工程建設(shè)總工期4年，總投資為10.97億元[3]。

2 壩址地形條件及設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

五一水庫(kù)壩址是可行性研究階段的推薦壩址。壩址位于出山口以上5km處的峽谷河段，天然河道順直，呈U型河槽，河谷岸坡高度70～87m，河谷底寬30～50m，岸坡坡度70°～85°，坡腳局部倒懸。壩址區(qū)階地發(fā)育，尤以左岸突出，右岸階地在峽谷入口下游900m以后的逐漸消失，右岸岸坡陡崖聳立，高度達(dá)150m以上。根據(jù)勘查，壩址區(qū)規(guī)模較大的卸荷裂隙有4條，其中3條位于左岸岸坡頂部，1條位于右岸壩肩，其長(zhǎng)度95～105m，深度30～60m。壩址區(qū)較大沖溝集中在右岸，分布在壩軸線上、下游側(cè)，間距200～400m不等，與河流垂直或斜交。壩址區(qū)地層巖性單一，為第四系西域礫巖(Q1)，呈厚層狀，巖體完整性較好，具備建庫(kù)建壩的地質(zhì)條件。

由于河道彎曲與順直情況、河槽寬度、岸坡陡緩程度、岸坡卸荷體及沖溝發(fā)育等情況，對(duì)樞紐布置、建筑物選型、施工組織設(shè)計(jì)、交通等產(chǎn)生重大影響，因此，工程設(shè)計(jì)著重對(duì)河道地形條件下的樞紐布置、交通方案及建筑物選型等問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)比選研究。河道地形條件給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題主要有：

(1)河谷狹長(zhǎng)、岸坡陡峭，交通制約因素大。壩址區(qū)兩岸岸坡卸荷裂隙和沖溝發(fā)育，其下游右岸山體高聳，均無(wú)布置跨河交通的地形條件。峽長(zhǎng)的河谷也無(wú)可利用的地形布置永久進(jìn)廠道路。

(2)可利用河段長(zhǎng)度嚴(yán)重不足。壩址河段全長(zhǎng)約500m，其中適合樞紐建筑物布置的河段長(zhǎng)約250m。對(duì)于壩高102.5m的大壩，該河段長(zhǎng)度對(duì)壩線選擇來(lái)說(shuō)較為不足，但同時(shí)還需考慮上游圍堰及下游的電站廠房等建筑物的布置。

(3)峽谷河段寬度嚴(yán)重不足。狹窄河谷產(chǎn)生的拱效應(yīng)能夠造成防滲體拉裂或擠壓破壞，造成防滲性能下降。由于下游壩坡坡面寬度不足，不利于上壩道路布設(shè)；壩后廠房、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口段建筑物及工業(yè)供水進(jìn)口段建筑物布置困難；溢洪洞出口段建筑物布置困難。

(4)高邊坡問(wèn)題。水庫(kù)蓄水后，庫(kù)岸卸荷體垮塌造成的涌浪，或造成進(jìn)水口堵塞，都可能嚴(yán)重威脅工程安全。工程建成后，泄洪、發(fā)電水流對(duì)岸坡坡腳浸泡、沖蝕，造成岸坡垮塌，由于岸坡高陡，塌方量大，極易阻塞河道形成堰塞湖。

(5)沖溝問(wèn)題。沖溝內(nèi)洪水、泥石流會(huì)對(duì)大壩坡面和岸坡坡面造成沖蝕、掏刷破壞，也極易沖毀位于沖溝下部的建筑物。其中位于壩軸線下游230m處的較大沖溝，處于電站廠房及工業(yè)供水進(jìn)口段頂部，必須采取措施保證建筑物安全。

3 不利地形下的技術(shù)方案研究

3.1 壩線方案選擇策略

壩址位于峽谷入口以下河段，全長(zhǎng)約500m，其中前段400m存在較小彎道，凸岸在左岸。壩軸線布置時(shí)考慮避開(kāi)左岸上下游卸荷裂隙，選擇壩肩基巖穩(wěn)定區(qū)域；右壩肩避開(kāi)右岸沖溝的影響，位于兩條相距約200m沖溝之間較完整的巖體上；由于峽谷進(jìn)口段地形開(kāi)闊，上游圍堰盡量縮進(jìn)峽谷，以減少填筑工程量；大壩下游坡腳右岸的沖溝，經(jīng)邊坡開(kāi)挖后的空間可滿足廠房的布置，廠房不宜再向下游移動(dòng)。經(jīng)過(guò)綜合考慮，壩軸線最終確定在峽谷入口下游約300m的位置。上游圍堰與壩體結(jié)合，其軸線布置在峽口進(jìn)口處下游150m處；電站廠房回填高程以下與壩體填筑區(qū)重合，廠房與下游壩坡靠緊布置；考慮峽谷進(jìn)口左岸山體作為泄洪、發(fā)電引水建筑物進(jìn)口；彎道末段左岸作為導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞的出口段；溢洪洞出口位于廠房下游約350m的左岸山體。

3.2 壩型方案優(yōu)選

壩址區(qū)河谷狹窄，呈U型河槽，兩岸谷坡基本對(duì)稱，山體寬厚，從地形條件來(lái)看適合修建混凝土壩壩型。但在彈模僅500MPa的沙礫巖上修建混凝土壩，在國(guó)際上也屬于史無(wú)前例。壩址區(qū)地層西域礫巖巖性屬軟巖，巖性單一，呈厚層狀，巖體較完整，適合布置土石壩?？紤]從面板壩、粘土心墻壩及瀝青混凝土心墻壩3種壩型中優(yōu)選。

(1)混凝土面板壩

混凝土面板壩壩體填筑量較小，在一個(gè)枯水期將壩體臨時(shí)斷面搶筑至度汛水位以上，簡(jiǎn)化導(dǎo)流度汛的程序和導(dǎo)流建筑物的規(guī)模。但是狹窄、高陡河谷的地形條件使得兩岸混凝土趾板布置非常困難，沿混凝土趾板線和兩壩肩范圍內(nèi)均存在著邊坡開(kāi)挖量大、高邊坡處理范圍廣的問(wèn)題，邊坡處理和壩體填筑施工干擾大，不但施工工期長(zhǎng)，工程投資也大。此外，資料表明，建在狹窄河谷的高混凝土面板堆石壩均出現(xiàn)了很大的壓縮裂縫和剪切裂縫[4]。

(2)粘土心墻壩

壩址區(qū)河谷狹窄、高陡，尤其是主河床壩段與兩岸階地壩段變坡較大，粘土心墻容易產(chǎn)生裂縫，需采取工程措施，如放緩心墻兩側(cè)邊坡坡度，選用中厚型粘土心墻，加大心墻的底寬等措施，以減輕拱效應(yīng)，避免產(chǎn)生裂縫。但其不利因素較為明顯：心墻最大底寬達(dá)到64m，兩壩肩心墻防滲體范圍內(nèi)的壩肩開(kāi)挖和邊坡處理量大，范圍較廣，施工干擾較大，工期較長(zhǎng)；粘土心墻壩方案由于用料品種多、數(shù)量大，過(guò)多開(kāi)挖導(dǎo)致棄渣量大，環(huán)保、水保投入高；另外，土料場(chǎng)為耕地，在征地方面難度較大。

(3)瀝青混凝土心墻壩

近年來(lái)，新疆水利工程中瀝青混凝土心墻壩獨(dú)樹(shù)一幟，有多座在高嚴(yán)寒、高海拔、高地震烈度、深厚覆蓋層、多泥沙條件下建設(shè)的瀝青混凝土心墻壩[5]。瀝青混凝土防滲墻自身具有較強(qiáng)的變形能力[6]，在主河床壩段與兩岸階地壩段變坡較大處，瀝青混凝土可選用高塑性、適合較大變形的配合比[7-8]，因此對(duì)不均勻沉降有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。瀝青混凝土防滲體體積較小，心墻基槽寬度不足粘土心墻的1/5，引起高邊坡處理的范圍及工程量遠(yuǎn)小于粘土心墻，壩體填筑與邊坡開(kāi)挖工程量較小，施工干擾小，施工工期短。該方案投資與粘土心墻壩接近，比面板壩少2640萬(wàn)元。

經(jīng)綜合比選，瀝青混凝土心墻對(duì)峽谷地形條件的適應(yīng)能力更強(qiáng)，施工工期、工程投資方面也占優(yōu)勢(shì)。因此，選擇瀝青混凝土心墻壩壩型。

3.3 樞紐布置方案優(yōu)選

樞紐布置方案包括了建筑物布置型式和永久交通型式兩方面的優(yōu)選。

3.3.1建筑物布置型式優(yōu)選

樞紐布置方案選擇泄洪發(fā)電引水系統(tǒng)左右岸分開(kāi)布置、左岸集中布置及表孔臺(tái)地溢洪道的布置型式。將泄洪、發(fā)電引水系統(tǒng)布置于右岸，凹岸的地形條件使得泄洪、發(fā)電引水系統(tǒng)洞線增長(zhǎng)，發(fā)電洞要以明洞型式穿越右壩肩上游沖溝，施工困難，邊坡開(kāi)挖工程量大；跨河交通等臨時(shí)措施投入較多，須增設(shè)3座臨時(shí)鋼橋，其中跨越河谷的斜拉鋼橋跨徑80m，布置在壩軸線下游與廠房之間的高邊坡頂部，施工難度過(guò)大，費(fèi)用高。河道下游轉(zhuǎn)彎段據(jù)壩軸線較遠(yuǎn)，臺(tái)地溢洪道泄槽段長(zhǎng)度太大，雖然開(kāi)挖量較小，但混凝土、鉛絲石籠護(hù)砌工程量大，河道岸坡高陡使得溢洪道陡坡段落差較大，帶來(lái)巨大土石方開(kāi)挖及混凝土澆筑工程量，表孔只有選擇洞室型式才能節(jié)省投資。因此，泄洪、發(fā)電引水系統(tǒng)均以洞室型式集中布置于左岸山體。

3.3.2永久交通型式方案優(yōu)選

在峽谷地形條件下，永久進(jìn)廠道路可以有如下選擇：①通過(guò)大壩下游壩坡的“之”字型道路進(jìn)廠，②通過(guò)交通洞進(jìn)廠，③通過(guò)開(kāi)挖邊坡形成“之”字型道路進(jìn)廠。三種方案須考慮與大壩填筑的臨時(shí)交通相結(jié)合。

在壩址區(qū)峽谷空間尺度下，在大壩下游增設(shè)“之”字型道路產(chǎn)生巨大的開(kāi)挖量，是不現(xiàn)實(shí)的，因此不予選用。在大壩下游坡面設(shè)“之”字型道路，壩后兩岸岸坡也產(chǎn)生巨大的開(kāi)挖量和壩體填筑量，是不經(jīng)濟(jì)的，也不予選用。

從左岸階地修建交通洞進(jìn)廠的布置方案洞長(zhǎng)約1300m，高差87m，臨時(shí)交通洞總長(zhǎng)約1202m，永久交通洞須作全斷面襯砌。導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口段左岸存在一條長(zhǎng)65m，深60m的卸荷裂隙BⅡ，出口段開(kāi)挖本身是結(jié)合對(duì)該卸荷裂隙處理進(jìn)行的，如在其基礎(chǔ)上擴(kuò)挖即可形成進(jìn)廠道路，施工期上壩路則結(jié)合下游壩坡左岸左岸邊坡開(kāi)挖，增加馬道寬度形成，該方案工程投資較交通洞方案低約2100萬(wàn)元。故選用邊坡擴(kuò)挖形成“之”字型進(jìn)廠道路方案。

3.4 建筑物布置策略

根據(jù)樞紐布置總體方案，泄洪、發(fā)電引水系統(tǒng)布置于左岸山體，建筑物較為集中。但建筑物布置仍面臨河槽順直，河道寬度不足兩大難題，必須采取相應(yīng)的策略措施予以解決。

3.4.1針對(duì)河槽順直的策略措施

解決河道順直的策略措施主要是充分利用彎道[9]。發(fā)電洞是有壓洞，可設(shè)置彎道轉(zhuǎn)彎。將導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞的事故門和工作門分開(kāi)設(shè)置，在兩個(gè)閘井之間的有壓洞段設(shè)置彎道，實(shí)現(xiàn)發(fā)電洞、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞進(jìn)、出口位置的互換，使得廠房布置于右岸沖溝開(kāi)挖后的預(yù)留位置，而導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口段靠近左岸布置，順直接入河道。溢洪洞洞身段中部從“之”字形進(jìn)廠道路外側(cè)的山體通過(guò)，為了保證洞身旁山厚度，考慮洞線較為順直接入河道，同時(shí)避免溢洪洞出口段左岸產(chǎn)生過(guò)大開(kāi)挖量，在控制段與進(jìn)口引渠間設(shè)置了32°的彎道。

3.4.2針對(duì)河道寬度不足的策略措施

河道寬度不足在溢洪洞出口段最為突出。溢洪洞出口段河谷寬度30～50m，岸坡陡立，高度62～82m。若采用“晚出洞”型式，出口段建筑物將占用大部分河道，嚴(yán)重影響河道過(guò)流，若采用“早出洞”，又將大幅增加開(kāi)挖工程量。為了將明渠末端控制在岸坡坡腳處，設(shè)計(jì)中采用了懸柵、梯形消能墩結(jié)合的新型輔助消能工[10]，使消力池長(zhǎng)度縮短了21m，將消力池?cái)U(kuò)散段前段24.5m移至洞內(nèi)，形成“晚出洞”布置型式，節(jié)省石方開(kāi)挖量84萬(wàn)m3。

3.5 高邊坡處理策略

3.5.1聯(lián)合進(jìn)水口高邊坡處理策略

聯(lián)合進(jìn)水口位于峽谷進(jìn)口左岸山體，結(jié)合建筑物進(jìn)口高程，從岸里向岸外依次布置導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞進(jìn)口段、發(fā)電洞進(jìn)口段及溢洪洞進(jìn)口引渠前段，并開(kāi)挖形成聯(lián)合進(jìn)水口。

原始地形地質(zhì)條件為：庫(kù)岸自然邊坡近直立，高84m，陡坡頂部發(fā)育BⅠ卸荷巖體，其走向與岸坡近平行，水平長(zhǎng)度105m，水平寬度5～9m，垂直深度60m。岸坡巖體上部為Q1西域礫巖，下部N2q地層為泥巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖互層，單層厚0.4～4m，并與西域礫巖整合接觸。Q1西域礫巖形成時(shí)代新，成巖作用差，強(qiáng)度低，水庫(kù)蓄水后，在庫(kù)水淘蝕作用下會(huì)產(chǎn)生坍塌及岸坡再造現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將危及工程安全。泥巖遇水軟化，強(qiáng)度基本完全喪失，可能加速邊坡失穩(wěn)或是邊坡失穩(wěn)的誘因[11]。

BⅠ卸荷巖體絕大部分處于聯(lián)合進(jìn)水口的開(kāi)挖范圍內(nèi)，其尾部采用補(bǔ)充開(kāi)挖卸除上部荷載，以解決BⅠ卸荷巖體的安全隱患。為保證高邊坡的穩(wěn)定性、節(jié)省開(kāi)挖量，設(shè)計(jì)中采用“坡頂削坡減荷、坡腳堆料壓重、中部混凝土置換泥巖層、坡面整體噴錨防護(hù)”的高邊坡綜合處理方法[11-13]，其穩(wěn)定安全也得到了計(jì)算驗(yàn)證[14]。

3.5.2壩后高邊坡處理策略

壩后高邊坡處理同時(shí)應(yīng)考慮沖溝、卸荷裂隙的問(wèn)題。采取的措施策略主要有：

(1)開(kāi)挖。解決高邊坡問(wèn)題最有效的方法是開(kāi)挖，但過(guò)度開(kāi)挖造成投資劇增，不可行。在卸荷裂隙發(fā)育岸坡，邊坡開(kāi)挖主要是與建筑物開(kāi)挖結(jié)合。利用壩軸線下游兩處凹岸分別布置導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、溢洪洞出口段，這兩個(gè)凹岸存在BⅡ、BⅣ卸荷巖體，導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞左岸經(jīng)“之”字型進(jìn)廠道路擴(kuò)挖后，將BⅡ卸荷體全部挖除；壩軸線下游235m處(廠房右岸)的沖溝規(guī)模較大、卸荷裂隙發(fā)育，對(duì)其溝口邊坡采取全部挖出的策略。在巖體整體性較好的岸坡，采取不開(kāi)挖或僅對(duì)其上部作削坡處理(減載)，工業(yè)供水進(jìn)水口岸坡巖體完整，對(duì)其上部三分之一高度岸坡進(jìn)行削坡處理；BⅣ卸荷體位于溢洪洞出口段下游，結(jié)合溢洪洞左岸開(kāi)挖，將其上部挖出，其下部穩(wěn)定性較好，不再挖除。

(2)護(hù)腳。采用混凝土重力擋墻與噴錨支護(hù)結(jié)合的方式對(duì)岸坡坡腳進(jìn)行防護(hù)，防止水流對(duì)岸坡坡腳掏刷。導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、溢洪洞出口段均位于左岸，河道右岸岸坡坡腳防護(hù)尤為重要，其范圍包括從導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口明渠末點(diǎn)至溢洪洞出口下游350m河道大轉(zhuǎn)彎段，長(zhǎng)約750m；河道左岸護(hù)腳范圍包括從導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口明渠末點(diǎn)至溢洪洞出口邊坡開(kāi)挖末點(diǎn)，長(zhǎng)約460m。

(3)擋水。在高邊坡頂部做防洪堤，阻擋高邊坡頂部階地匯水，減輕對(duì)高邊坡坡面的侵蝕、沖刷，防洪堤同時(shí)考慮攔斷沖溝向河道排水，將沖溝內(nèi)洪水也通過(guò)防洪堤導(dǎo)向下游河道，保證壩坡、岸坡及其下部建筑物安全。

4 結(jié)語(yǔ)

西域礫巖地層下的峽谷地形，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。通過(guò)對(duì)不同方案的比選研究，優(yōu)選出適合該地形條件的樞紐布置方案、建筑物型式、高邊坡處理方案等，采取的策略措施主要有：

(1)針對(duì)河道寬度嚴(yán)重不足的策略：采用了適應(yīng)不均勻沉降能力強(qiáng)的瀝青混凝土心墻壩型；采用新型消能工、“晚出洞”及洞內(nèi)擴(kuò)散段的型式，縮短溢洪洞出口段的長(zhǎng)度，避免建筑物占用河道有效過(guò)流面積。

(2)針對(duì)河道長(zhǎng)度嚴(yán)重不足的策略：采用上游圍堰、廠房填筑區(qū)與壩體結(jié)合，建筑物布置緊湊，有效縮短上下游建筑物的總長(zhǎng)度。

(3)針對(duì)針對(duì)河道順直的策略：充分利用有壓洞、明渠彎道，通過(guò)空間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)合理樞紐布置。

(4)針對(duì)高邊坡處理策略：建筑物邊坡開(kāi)挖時(shí)兼顧卸荷裂隙處理，兼顧永久交通問(wèn)題，高邊坡問(wèn)題應(yīng)采取綜合處理措施保證其穩(wěn)定性。

目前，迪那河五一水庫(kù)工程大壩施工基本完成，高邊坡處理已經(jīng)完成。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，大壩瀝青混凝土心墻應(yīng)力應(yīng)變?cè)谠试S范圍內(nèi)，大壩沉降變形小于計(jì)算值，高邊坡位移值滿足設(shè)計(jì)要求[15]。但隨著水庫(kù)下閘蓄水，聯(lián)合進(jìn)水口高邊坡、大壩瀝青混凝土心墻需要跟蹤監(jiān)測(cè)分析。