陳 春 文, 何 萬(wàn) 通
(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072;2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京 100120)
水利水電建設(shè)中,壩型選擇至關(guān)重要。壩型選擇合理,則造價(jià)低、建壩速度快、質(zhì)量好;壩型選擇不當(dāng),則造價(jià)高,建壩工期長(zhǎng),質(zhì)量次,甚至被迫停工修補(bǔ),損失巨大。對(duì)水利水電工程壩型的選擇,通常提出幾個(gè)可行性壩型,通過(guò)對(duì)相關(guān)影響因素分析,憑地質(zhì)條件適宜性,工程造價(jià)的大小,或施工條件的好壞等進(jìn)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(kù)區(qū)地形條件、地質(zhì)條件、樞紐布置方案、抗震因素、導(dǎo)流方案、施工技術(shù)方案、施工干擾度、施工工期、工程造價(jià)、水利生態(tài)環(huán)境、材料價(jià)格及材料運(yùn)輸費(fèi)用、料場(chǎng)的選擇利用及開(kāi)采程度、防洪度汛、運(yùn)行管理及日后維修維護(hù)費(fèi)用等[2],可謂涉及面廣,影響因素多。而當(dāng)前我國(guó)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(jìn)行比選。以位于西南山區(qū)的大渡河上所建電站為例,雙江口水電站主要對(duì)土質(zhì)心墻堆石壩與拱壩進(jìn)行了比選并最終選擇心墻堆石壩,大崗山水電站主要對(duì)拱壩及混凝土面板堆石壩兩種壩型進(jìn)行了比選并最終選擇拱壩,長(zhǎng)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(dāng)?shù)夭牧蠅危⒆罱K選定為礫石土直心墻堆石壩。而本文的研究對(duì)象,同樣建于大渡河之上的猴子巖水電站則主要對(duì)混凝土面板堆石壩、土質(zhì)心墻堆石壩及拱壩進(jìn)行了比選,并最終選定為混凝土面板堆石壩。
猴子巖水電站 壩址區(qū)河谷狹窄,呈對(duì)稱(chēng)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(shí),相應(yīng)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(tǒng)的鈣質(zhì)絹云石英片巖、泥質(zhì)白云巖,以及泥盆系下統(tǒng)的變質(zhì)碳酸鹽巖。壩址區(qū)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(fā)育堰塞湖相堆積與冰水堆積,構(gòu)成一般厚度達(dá)41.2 m~67.8 m,最大厚度75.2m的河床深厚覆蓋層。
壩址區(qū)地層經(jīng)多次構(gòu)造變動(dòng),巖石發(fā)生不同程度區(qū)域變質(zhì),層理、片理及層間褶皺較發(fā)育,地層總體產(chǎn)狀由N40°~60°E/NW∠30°~45°逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)镹80°E/NW∠30°~45°,局部產(chǎn)狀變化較大。壩址區(qū)發(fā)育SE向延伸的區(qū)域斷裂F0,出露于左岸壩線上游,主斷帶寬15.5 m,構(gòu)造巖主要為碎粒巖——碎粉巖;二級(jí)結(jié)構(gòu)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(gòu)造巖為碎粒巖——碎粉巖;以及一些次級(jí)小斷層、層間擠壓破碎帶及節(jié)理裂隙等。工程場(chǎng)地不具備發(fā)生強(qiáng)震及中強(qiáng)震的地質(zhì)構(gòu)造條件,地震危險(xiǎn)性主要來(lái)自外圍強(qiáng)震活動(dòng)的影響波及。根據(jù)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)結(jié)果,猴子巖水電站工程場(chǎng)地50年超越概率10%基巖水平峰值加速度為141 gal,相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度,100年超越概率2%基巖場(chǎng)地水平峰值加速度為297 gal,區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。
上述壩址地質(zhì)條件是壩型選擇的基本因素,而不良地質(zhì)現(xiàn)象及主要工程地質(zhì)問(wèn)題是壩型成立的決定性因素,兩者結(jié)合起來(lái)的綜合因素構(gòu)成建壩基本條件。猴子巖壩區(qū)制約壩型比選的不良地質(zhì)條件主要包括河床深厚覆蓋層、壩前右岸潛在活動(dòng)性泥石流溝、壩后左岸巨型冰水堆積體等方面。
壩址河床覆蓋層最大厚度為75.2 m,多層結(jié)構(gòu),中上部、下部主要為砂礫石層,中部夾一最厚可達(dá)29.5 m的粘質(zhì)粉土層,作為壩基將存在不均勻變形、滲透穩(wěn)定和砂層地震液化等問(wèn)題。由于第②層(見(jiàn)圖1)粘質(zhì)粉土層是覆蓋層中工程地質(zhì)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(shí)土。經(jīng)標(biāo)貫試驗(yàn)得到其承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk為160 kPa~170 kPa,經(jīng)三軸剪切試驗(yàn)得到其內(nèi)摩擦角為22.0°~28.2°,凝聚力為0.01 MPa~0.04 MPa。室內(nèi)壓縮試驗(yàn)所得的壓縮系數(shù)值ɑ1-2為0.137 MPa-1~0.308 MPa-1,屬中壓縮性土。室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)測(cè)得其滲透系數(shù)1.40×10-6cm/s~2.33×10-5cm/s,微透水。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果判別,該層承載、抗變形及抗剪強(qiáng)度均不高,存在不均勻沉降和抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。根據(jù)振動(dòng)液化判別規(guī)定,該層為可能液化層,因其滲透系數(shù)較低,在施工期和地震情況下,產(chǎn)生的超孔隙水壓力不能及時(shí)排除,將引起土層抗剪強(qiáng)度劇烈降低產(chǎn)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(qiáng)的其他三個(gè)砂礫石層而言,其抗?jié)B透破壞能力也較低,存在接觸沖刷和管涌破壞。
我國(guó)在深厚覆蓋層上建壩的工程實(shí)踐很多,對(duì)于覆蓋層壩基處理積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn),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(kāi)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(dá)240 m的長(zhǎng)河壩電站,對(duì)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(duì)覆蓋層表層深度20 m的淤泥質(zhì)壤土層,原設(shè)計(jì)采取全部挖除方案,在工程實(shí)踐階段改為振沖碎石樁進(jìn)行了加固處理,取得良好效果。因此,針對(duì)猴子巖壩址的深厚覆蓋層問(wèn)題,在后期壩型選擇的同時(shí)配合特定壩型要求進(jìn)行工程處理即可。
圖1 猴子巖河床覆蓋層層次結(jié)構(gòu)
壩前右岸發(fā)育磨子溝,溝口距壩軸線約700 m,溝口高程1 712 m,主溝長(zhǎng)約14 km,發(fā)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(nèi)寬敞,平面形態(tài)呈“喇叭”形,谷底為斜坡地貌,總體坡度約21°。從溝谷形態(tài)、溝內(nèi)堆積物特性及物質(zhì)組成來(lái)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(fā)育U形谷谷底緩平臺(tái),磨子溝村坐落其上。該平臺(tái)以下溝段內(nèi)堆積物豐富,鉆孔揭示最厚堆積達(dá)93.4 m。堆積物以含塊碎石土為主,顆分試驗(yàn)結(jié)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(cè)坡均為穩(wěn)定性良好的巖質(zhì)坡,沒(méi)有發(fā)生大規(guī)?;?、垮塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象的可能,為發(fā)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(lái)自暴雨期坡面片流對(duì)現(xiàn)代小沖溝兩側(cè)溝壁松散物質(zhì)的掏刷。綜合分析磨子溝的溝谷形態(tài)、堆積物發(fā)育分布、溝谷水力特征、流域植被發(fā)育、不良地質(zhì)現(xiàn)象、可啟動(dòng)物質(zhì)等多方面因素,認(rèn)為磨子溝現(xiàn)今不存在發(fā)生大規(guī)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(fā)生小規(guī)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(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè),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(zhǎng)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(kù)正常蓄水后,溝內(nèi)堆積物前緣被水淹沒(méi),可形成庫(kù)岸塌岸。由于泥石流溝距離壩址較近,在壩型選擇過(guò)程中,應(yīng)考慮泥石流和塌岸的可能,并結(jié)合上游圍堰布置,盡量避免壩前固體物質(zhì)運(yùn)動(dòng)對(duì)大壩基坑施工及大壩運(yùn)行安全產(chǎn)生影響。
壩后左岸分布有泥洛堆積體和角壩堆積體,規(guī)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?qū)挾?80 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(wàn)m3。其上游側(cè)以陡坡前緣一條淺緩沖溝為界,下游側(cè)以泥洛溝為界,溝谷深切,深達(dá)50 m~100 m。堆積物主要為含塊碎礫石土層,結(jié)構(gòu)密實(shí),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(zhì)較干燥,邊坡未見(jiàn)變形破壞跡象,總體上為一古老的冰水堆積,現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。根據(jù)壩址樞紐建筑布置構(gòu)想,泥洛堆積體可能位于左岸泄洪消能的霧化區(qū)范圍,計(jì)算分析泄洪雨霧對(duì)堆積體邊坡的影響,得到邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。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°??v向長(zhǎng)1 600 m,橫向?qū)?80 m,平面堆積較大,一般厚度14 m~25 m,體積約1 000萬(wàn)m3。堆積體成因?yàn)楸e,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(jié)構(gòu)密實(shí),邊坡未見(jiàn)變形破壞跡象,現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。同樣對(duì)其進(jìn)行泄洪雨霧工況穩(wěn)定性計(jì)算,得到邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
泥洛堆積體和角壩堆積體在天然條件下處于整體穩(wěn)定狀態(tài),在泄洪雨霧工況下也處于穩(wěn)定~極限穩(wěn)定狀態(tài),但安全裕度不大。泄水過(guò)程的長(zhǎng)期霧化,會(huì)對(duì)之穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此,在壩型選擇過(guò)程中,一是考慮霧化區(qū)盡量避開(kāi)堆積體,減少泄洪雨霧對(duì)堆積體邊坡穩(wěn)定的弱化,例如拱壩的壩身泄水便可拉開(kāi)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(jié)構(gòu),地下洞室不易穿過(guò)堆積物內(nèi)部,地表泄洪也不宜布置于坡體之上。
針對(duì)猴子巖壩址區(qū)的地質(zhì)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(duì)建壩地質(zhì)條件的要求是不同的,對(duì)面板堆石壩而言,建壩條件主要研究?jī)煞矫娴囊蛩兀阂皇侵喊鍘r體的強(qiáng)度、滲透、穩(wěn)定性,二是壩基巖體的強(qiáng)度、變形、抗滑及滲透穩(wěn)定。由于西南地區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜,交通運(yùn)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(jīng)濟(jì)的選擇。心墻堆石壩對(duì)壩基要求相對(duì)不高,其關(guān)鍵問(wèn)題主要是土心墻料的強(qiáng)度和抗?jié)B流穩(wěn)定等問(wèn)題。因其適應(yīng)地基變形能力強(qiáng),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(shí)第一批機(jī)組可在低水頭下投放運(yùn)行等特點(diǎn),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(dá)320 m,已建的糯扎渡心墻堆石壩最大壩高也達(dá)到了261.5 m。拱壩除對(duì)地形有較嚴(yán)格要求外,建壩條件主要研究三方面:一是壩基巖體的強(qiáng)度和變形特性,二是壩基和壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定性,三是壩基巖體的滲透穩(wěn)定性?;炷凉皦卧诟纳平Y(jié)構(gòu)應(yīng)力分配、節(jié)省混凝土材料上有非常明顯的優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用,特別是高壩水庫(kù)中應(yīng)用比例較高。
對(duì)猴子巖電站壩址區(qū)前述主要工程地質(zhì)問(wèn)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(qū)將挖除河床覆蓋層,基礎(chǔ)置于基巖上,壩殼亦將挖除覆蓋層第②層粘質(zhì)粉土及以上層。相對(duì)心墻堆石壩,設(shè)計(jì)壩坡較陡,基坑開(kāi)口線距磨子溝較遠(yuǎn),約126 m,可避免磨子溝泥石流問(wèn)題,但存在深基坑穩(wěn)定和涌水問(wèn)題。針對(duì)壩后左岸泥洛堆積體穩(wěn)定問(wèn)題,因無(wú)法將泄洪洞室置于堆積體內(nèi)部,亦不宜在堆積體坡表設(shè)置開(kāi)敞式溢洪道,將泄洪出口置于堆積體上游,對(duì)堆積體采取上部減載、前緣支擋、霧化區(qū)護(hù)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(qū)亦將挖除河床覆蓋層,壩殼置于較密實(shí)的河床第①層含漂(塊)卵(碎)砂礫石層上。鑒于設(shè)計(jì)壩坡較面板堆石壩緩,基坑開(kāi)口線距磨子溝較近,約60 m,同時(shí)存在深基坑穩(wěn)定和涌水問(wèn)題。若對(duì)心墻堆石壩河床覆蓋層采取振沖方案,可避免深基坑穩(wěn)定問(wèn)題和磨子溝泥石流的影響。但因河床第②層粘質(zhì)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(qū)河谷狹窄,機(jī)械設(shè)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(yán)重耽誤工期。礫石土心墻堆石壩方案存在的較大問(wèn)題是,心墻土料需要從下游13 km外的土料場(chǎng)運(yùn)取,需征用土地600余畝,土料的開(kāi)采運(yùn)輸對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響較大。相對(duì)而言,面板堆石壩方案可減少填筑400萬(wàn)m3,且無(wú)需征用土料場(chǎng)。
(3)拱壩方案壩基需全部挖除河床覆蓋層,基坑范圍相對(duì)較小,上游圍堰置于磨子溝口下游,基本避開(kāi)泥石流的影響。大壩距下游泥洛堆積體相對(duì)較遠(yuǎn),并可充分利用壩身泄洪,減輕對(duì)泥洛堆積體沖刷及霧化邊坡穩(wěn)定的影響。但存在拱肩槽、壩頂以上纜機(jī)平臺(tái)等高邊坡和河床深基坑穩(wěn)定問(wèn)題,且鑒于巖體透水率q≤1 Lu相對(duì)抗水層埋深大,壩基防滲工程量較大。由于拱壩方案對(duì)勘察深度的要求遠(yuǎn)高于堆石壩方案,為滿(mǎn)足拱壩設(shè)計(jì)需要,將補(bǔ)充許多勘察工作,工期相應(yīng)面板堆石壩方案延長(zhǎng)一年,同時(shí)將增加工程靜態(tài)投資和動(dòng)態(tài)投資。相對(duì)而言,面板堆石壩方案具有工期短、投資省、收益早的明顯優(yōu)點(diǎn)。
可研階段壩型選擇報(bào)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(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)、大壩填筑體、壩頂防浪墻等組成。大壩上游設(shè)置鋪蓋,下游壩腳設(shè)置壓重體。大壩填筑體870萬(wàn)m3,上游鋪蓋66萬(wàn)m3,下游壓重體56萬(wàn)m3,總填筑工程量992萬(wàn)m3,混凝土面板面積5.95萬(wàn)m2,接縫總長(zhǎng)7 650 m。對(duì)于壩基的處理方案如下:趾板至壩軸線附近河床開(kāi)挖至基巖,其中趾板、防滲板部位開(kāi)挖至新鮮或弱風(fēng)化巖。碾壓混凝土圍堰至其上游150 m范圍內(nèi)的河床開(kāi)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(qiáng)夯。兩岸壩坡按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行植被及覆蓋層清理,對(duì)局部坡度較陡或反坡位置進(jìn)行削坡或用漿砌石補(bǔ)坡至設(shè)計(jì)坡比。最后對(duì)粘質(zhì)粉土層進(jìn)行了開(kāi)挖處理,采取平面分區(qū)、立體分層施工方法,通過(guò)在左側(cè)岸邊深挖先導(dǎo)槽,形成左岸排水深溝,引導(dǎo)、排除基坑滲水,使粘質(zhì)粉土得以固結(jié),再輔以砂礫料置換和分層開(kāi)挖方式。最終于2013年4月中旬完成大壩基坑開(kāi)挖,比計(jì)劃工期提前40天[3]。
經(jīng)過(guò)業(yè)主單位的精心籌劃、參建各方的細(xì)致工作以及咨詢(xún)審查專(zhuān)家的跟蹤把關(guān),猴子巖電站首臺(tái)機(jī)組于2016年底順利并網(wǎng)發(fā)電,充分證明猴子巖面板堆石壩的壩型方案選擇是成功的。
水利水電工程建設(shè)中的壩型選擇問(wèn)題因其涉及因素眾多,建成之后的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)不易,歷來(lái)爭(zhēng)議較多,因此,在壩型選擇階段就應(yīng)抓住關(guān)鍵,全面權(quán)衡,作出科學(xué)決策。通過(guò)猴子巖電站預(yù)可研、可研、壩型比選及施工階段工作的參與,對(duì)深厚覆蓋層上高壩大庫(kù)壩型方案的選擇得出以年結(jié)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(jīng)驗(yàn),這些經(jīng)驗(yàn)一方面對(duì)于指導(dǎo)地質(zhì)條件類(lèi)似地區(qū)大壩建設(shè)具有重要意義,但另一方面還應(yīng)結(jié)合場(chǎng)區(qū)不良地質(zhì)條件進(jìn)行細(xì)致比選。猴子巖電站在可研設(shè)計(jì)初期,曾考慮借鑒下游瀑布溝的經(jīng)驗(yàn)選用最大壩高155 m的碎石土心墻壩,隨著勘察設(shè)計(jì)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(qiáng)度和承載力較低的粘質(zhì)粉土層,容易出現(xiàn)局部剪切破壞甚至整體滑動(dòng)的危險(xiǎn)。修建大壩時(shí)需采取措施提高地基強(qiáng)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(chǎn)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(shí)控制填土速率,還可采用振沖碎石樁或強(qiáng)夯等加固方法。
(3)我國(guó)面板堆石壩建壩數(shù)量多,當(dāng)前正朝著300 m級(jí)高面板堆石壩、高寒地區(qū)面板堆石壩、高地震烈度區(qū)面板堆石壩建設(shè)發(fā)展,無(wú)論壩高、填筑規(guī)模還是技術(shù)難度都處于世界前列。而關(guān)于深厚覆蓋層上面板堆石壩滲漏量監(jiān)測(cè)、高水頭下堆石料力學(xué)特性、滲透特性及長(zhǎng)期變形特性試驗(yàn)等方面仍是技術(shù)難題,還應(yīng)加強(qiáng)研究。