王錦峰,楊鑫平

(1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，西安 710001;2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概況

云鎮(zhèn)水庫位于陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣境內(nèi)，壩址位于鎮(zhèn)安縣西北云蓋寺鎮(zhèn)上游的縣河峽谷段，距鎮(zhèn)安縣城20 km，距西安市130 km，水庫的主要任務(wù)是城鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉，年供水量1075萬m3。水庫正常蓄水位903.00 m，總庫容959萬m3，調(diào)節(jié)庫容747萬m3，攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩高74 m，壩頂高程906.00 m，壩基高程832.00 m，壩頂寬7.0 m。泄洪壩段位于河床段中部，布置1孔泄洪底孔和1孔泄洪表孔，泄洪底孔為壓力泄水孔，斷面為3 m×3 m(寬×高)的矩形，水平布置，進口底板高程852.00 m，出口設(shè)弧形工作閘門，采用挑流方式消能；泄洪表孔寬10 m，孔口設(shè)10 m×6.7 m(寬×高)弧形工作閘門，堰頂高程898.00 m，堰面采用WES曲線，下接1∶0.7的陡坡，尾部為反弧段，采用挑流方式消能。放水孔布置在泄洪壩段右側(cè)的擋水壩段，采用壩體內(nèi)埋設(shè)鋼管的布置型式，鋼管內(nèi)徑1.0 m，管中心高程為857.25 m，大壩下游設(shè)調(diào)流調(diào)壓閥控制流量。

2 地質(zhì)情況

壩址為“V”型河谷，兩岸斜坡陡峻，自然邊坡坡度40°～65°，谷底寬約32。壩址巖層為泥盆系上古道嶺組(D2g2)綠泥絹云母千枚巖。兩岸覆蓋層厚度1.5～4.0 m，河床覆蓋層厚度3.0～5.5 m。壩址位于單斜構(gòu)造的橫向谷區(qū)，巖層產(chǎn)狀20°～40°∠60°～80°，總體傾向上游偏左岸。壩址區(qū)存在一條斷層和兩組構(gòu)造裂隙，f1斷層規(guī)模較小，產(chǎn)狀15°∠59°，屬逆斷層，破碎帶寬度0.25～0.55 m，斷面彎曲粗糙，充填物為角礫巖及泥質(zhì)，兩盤巖體較完整。兩組裂隙均為高傾角裂隙:① 組傾向20～40°，傾角69°～70°，間距5～40 cm，延伸長度大于5 m;② 組傾向290°～310°，傾角70°，間距50～100 cm，延伸長度大5 m。壩址區(qū)岸坡相對高差大于100 m，卸荷裂隙發(fā)育，巖體風(fēng)化強烈，卸荷深度大，主要卸荷裂隙產(chǎn)狀與坡面產(chǎn)狀基本一致，卸荷帶巖體呈碎裂或散體結(jié)構(gòu)。

壩址區(qū)千枚巖片理發(fā)育，易于風(fēng)化，具有明顯的片狀風(fēng)化的特點，風(fēng)化深度大，左岸強風(fēng)化厚度10～35 m，弱風(fēng)化厚度31～34 m；河床強風(fēng)化厚度3～5 m，弱風(fēng)化厚度18～21 m；右岸強風(fēng)化厚度8～14 m，弱風(fēng)化厚度33～39 m。強風(fēng)化巖體呈片狀、碎塊狀，透水率大于10 Lu，巖體縱波速2 306～3 676 m/s，飽和抗壓強度平均值為22.1 MP。弱風(fēng)化巖體裂隙發(fā)育，巖體為塊狀～碎裂結(jié)構(gòu)，透水率4.65～21.1 Lu，巖體縱波速3 588～4 565 m/s，飽和抗壓強度平均值為33.7 MPa，軟化系數(shù)平均值0.6。微風(fēng)化巖體裂隙不發(fā)育，呈整體塊狀結(jié)構(gòu)，透水率q<5 Lu，巖體縱波速3 976～4 921 m/s，飽和抗壓強度平均值為39.7 MPa，軟化系數(shù)平均值0.67。

壩址區(qū)地下水主要為第四系松散層孔隙潛水及基巖裂隙水兩種類型，左岸地下水埋深35～52 m，右岸地下水埋深26～49 m。第四系松散層孔隙潛水含水層為沖積砂卵石層、坡洪積砂壤土層等?；鶐r裂隙水含水層主要為泥盆系巖層，主要接受大氣降水補給，多以泉或滲流形式排泄于溝谷或河流中，因受地形切割、斷裂以及裂隙發(fā)育的不均一性影響，水量一般比較貧乏，呈季節(jié)性變化規(guī)律，壩區(qū)兩岸地下水補給河水。

大壩混凝土骨料選用庫區(qū)右岸大鳳溝石灰?guī)r，人工骨料料場距壩址3 km，開采層為泥盆系中統(tǒng)上古道嶺組(D2g2)石灰?guī)r。

3 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于壩址下伏基巖片理發(fā)育，風(fēng)化深度大，壩基根據(jù)大壩不同部位以及相應(yīng)的應(yīng)力條件進行開挖設(shè)計，河床段壩基開挖至弱風(fēng)化中部，左右兩岸壩肩大多開挖至弱風(fēng)化中上部，左壩肩上部由于風(fēng)化深度過大，上部20 m壩高的壩基仍坐落于強風(fēng)化巖層。加之千枚巖軟化系數(shù)偏低，抗剪強度低，為了保證壩基的抗滑穩(wěn)定，在大壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要考慮以下幾個方面：

(1) 壩基固結(jié)灌漿

大壩建基面除河床段壩基置于弱風(fēng)化中部，岸坡段壩基開挖相對較淺，因此對壩基固結(jié)灌漿進行加強，整個壩基范圍內(nèi)固結(jié)灌漿孔排距為2.5 m，孔深6 m，對壩基存在斷層和裂隙帶，進行固結(jié)灌漿加密、加深、加壓處理，孔排距1～1.5 m，孔深10～15 m，灌漿壓力增加至1.2～1.5 MPa。

(2) 放緩上下游壩坡

上游壩坡在865.00 m高程以上為鉛直面，865.00 m高程以下采用1∶0.2的斜坡，下游面897.00 m高程以上為鉛直面，897.00 m高程以下壩坡1∶0.70。大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面設(shè)計見圖2。

(3) 設(shè)置抗滑齒槽

河床段壩基抗滑齒槽深2 m，寬10 m，岸坡段抗滑齒槽深2 m，寬5 m。

(4) 增大岸坡壩基接觸面積

在大壩與岸坡接觸部位設(shè)置貼腳進行放大，貼腳最小厚度4 m，使壩基寬度至少增加8 m以上。

(5) 提高防滲標(biāo)準(zhǔn)

帷幕灌漿防滲標(biāo)準(zhǔn)為3 Lu，壩基上游側(cè)設(shè)置一排帷幕灌漿，孔距2 m，灌漿深度30～50 m。左右壩肩在壩頂在906.00 m高程和871.50 m高程設(shè)有水平灌漿洞，灌漿洞長度30～40 m。在斷層帶、裂隙發(fā)育地段以及岸坡較陡的部位增加一排帷幕灌漿。

(6) 加強壩基和壩體排水

降低滲透壓力，在壩基帷幕灌漿下游設(shè)置壩基排水孔，入巖深度不小于15 m，孔距2 m，河床段壩基滲水集中流入河床段的集水坑，再由水泵抽向下游，岸坡段壩基滲水由各層順河向交通廊道排出壩外。

(7) 壩體橫縫灌漿

由于壩肩開挖坡度陡，在壩肩基礎(chǔ)產(chǎn)生的滲透壓力及重力的聯(lián)合作用下，存在側(cè)向滑動問題，因此對大壩橫縫進行接縫灌漿，將各壩段連接為整體。

4 排水系統(tǒng)設(shè)計

4.1 排水系統(tǒng)設(shè)計原則

混凝土重力壩一般采用上游帷幕灌漿、帷幕下游布置排水孔的方式降低壩基滲透壓力，是保證壩基抗滑穩(wěn)定的重要措施。排水孔孔深應(yīng)根據(jù)帷幕和固結(jié)灌漿的深度及基礎(chǔ)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件確定，主排水孔深為帷幕深的0.4～0.6 倍，高、中壩的壩基主排水孔深不小于10 m。

碾壓混凝土壩施工過程中的碾壓層厚度一般為30 cm，層間接合縫為平面接觸，上、下兩層混凝土結(jié)合部位不能達到插入式振搗的泛漿混合膠結(jié)效果。碾壓混凝土一倉厚度一般為3～6 m，上、下兩倉混凝土之間的結(jié)合往往按施工縫處理，碾壓前鋪灑一層水泥砂漿，碾壓混凝土攤鋪前砂漿超前展開面積過大，覆蓋碾壓混凝土前砂漿已經(jīng)初步凝固，在振動碾壓時，因激振力作用使得上下兩層混凝土間鋪設(shè)的砂漿膠結(jié)力破壞，碾壓分層間的砂漿呈疏松狀態(tài)。由于以上原因，碾壓混凝土壩存在的層間滲漏問題成為壩體常見的病害缺陷，由上游面及壩肩滲入壩體的水會使層間滲透壓力加大。壩體排水系統(tǒng)的作用在于，防滲結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部缺陷后，排水孔能夠有效降低層面滲透壓力，避免壩體滲透壓力急劇上升，降低壩體浸潤線。因此，做好壩體排水是保障大壩安全運行的必要條件。

排水系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足在各種運行條件下，可將壩基和壩體的滲透壓力控制在設(shè)計允許范圍內(nèi)。根據(jù)目前已建混凝土重力壩工程實測資料統(tǒng)計以及混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范，對于設(shè)置帷幕及排水孔的實體重力壩，河床段壩基滲透壓力折減系數(shù)為0.25，岸坡壩段為0.35。

4.2 廊道系統(tǒng)布置

大壩排水系統(tǒng)布置一般結(jié)合壩基帷幕灌漿、壩體廊道等各方面因素綜合考慮。云鎮(zhèn)水庫大壩設(shè)置2層廊道，壩基帷幕和排水孔位置應(yīng)盡量靠近上游，最大程度減小壩基滲透壓力。

底層廊道斷面為3.0 m×3.5 m(寬×高)的城門洞型，作用為灌漿、監(jiān)測、排水，河床段底板高程834.00 m，在靠近兩岸岸坡處向上爬升，左岸爬升至844.00 m高程，右岸爬升至848.00 m。左右兩端各有通向下游的交通廊道，出口高程均高于下游最高水位。由于大壩上游865.00 m高程以下采用1∶0.2的斜坡，因此底層廊道在平面上為折線形布置。

上層廊道水平布置，底板高程871.50 m，中部斷面尺寸為2.0 m×2.5 m(寬×高)的城門洞型，作用為監(jiān)測、排水，兩端與左右岸灌漿洞連接，灌漿洞斷面為3.0 m×3.5 m(寬×高)，用于灌漿和排水。左右兩端各有通向下游的交通廊道。

混凝土重力壩壩基排水孔出口一般位于大壩廊道內(nèi)，廊道的布置受通行要求控制，其坡度一般小于1∶1，云鎮(zhèn)水庫壩址狹窄陡峭，左岸坡比1∶0.44～1∶0.66，右岸坡比1∶0.67～1∶0.75，如果按1∶1的坡度布置廊道，在廊道底部與壩基之間形成一個三角形區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，排水孔出口部位與壩基部位高差較大，排水孔內(nèi)會形成較大的水壓，排水效果差，導(dǎo)致該區(qū)域滲透壓力過大，達不到設(shè)計要求，對大壩穩(wěn)定不利。為了使排水孔出口盡可能靠近壩基面，并且便于壩肩帷幕灌漿和排水孔的施工，上下兩層廊道之間采用斜井連接，斜井的坡度與壩基開挖面坡度基本一致。

斜井?dāng)嗝鏋?.0 m×3.0 m(寬×高)矩形，見圖4，施工采用預(yù)制混凝土梁作內(nèi)模，碾壓混凝土施工完成后，形成帶有階梯的斜井，之后在斜井內(nèi)安裝欄桿及工字鋼軌道，用于帷幕灌漿及排水孔施工。混凝土梁斷面為40 cm×60 cm(寬×高)，為了減小預(yù)制構(gòu)件重量以便于安裝，一層預(yù)制混凝土梁由兩根長梁和兩根短梁組成，單根梁自重2噸左右，長梁長度3.8 m，埋設(shè)固定鋼筋，短梁長3 m，支撐在固定鋼筋上，防止混凝土碾壓過程中移動，用裝載機便可將預(yù)制混凝土梁安裝到位，施工快速簡單，容易操作。

4.3 壩基排水設(shè)計

由于壩址基巖風(fēng)化深度大，壩基開挖設(shè)計相對于高壩的要求較為寬松，壩基巖石仍然較破碎，加之千枚巖軟化系數(shù)偏低，抗剪強度低，對壩基抗滑不利，必須加強壩基排水設(shè)計。由于兩層灌漿廊道用斜井連接，壩基帷幕灌漿孔布置在灌漿廊道或斜井的上游側(cè)，所有的灌漿孔連續(xù)布置，且帷幕灌漿孔均為鉛直孔，有利于施工控制。壩基排水孔則布置于灌漿廊道或斜井的下游側(cè)，采用?150鉆孔，孔距2 m，孔徑和孔距均采用較高的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

871.50 m高程廊道以上至壩頂高程的岸坡壩基排水孔，由壩頂鉆鉛直孔穿過灌漿洞或廊道頂板，壩基滲水由排水溝匯入871.50 m高程順河向交通廊道排向下游。

871.50 m高程廊道以下的岸坡壩基排水孔全部位于靠近岸坡的斜井內(nèi)，鉆孔方向傾向下游10°，入巖深度不小于15 m，壩基滲水沿斜井匯入其下部的順河向交通廊道排向下游。

河床段壩基排水孔位于底層灌漿廊道內(nèi)，排水孔方向傾向下游10°，入巖深度不小于15 m，壩基滲水匯入位于河床中部的集水坑，再由水泵抽向下游。

4.4 壩體排水

碾壓混凝土壩的壩體排水常用的方法有鉆孔、埋設(shè)透水管或拔管等方法。采用埋設(shè)透水管或拔管的方法，對碾壓混凝土的施工會帶來很大的干擾，且由于排水孔周圍無法碾壓，通常采用變態(tài)混凝土，加入水泥漿則又會導(dǎo)致排水孔周圍的滲透性降低，影響排水效果，因此云鎮(zhèn)水庫壩體排水孔選用鉆孔型式。上層廊道呈直線布置，底層廊道呈折線布置，因此上下兩層廊道平面位置相差0～4.9 m，排水孔深度33 m，孔斜0～6°，每個鉆孔的孔斜均不相同，孔斜難以控制，施工難度較大。在云鎮(zhèn)水庫大壩的排水設(shè)計中，采用水平排水體連接鉛直鉆孔與廊道的新思路，既解決了斜向鉆孔精度的控制難題，又克服了排水孔周圍混凝土透水性差的問題，同時最大程度上減小對碾壓混凝土的干擾。大壩排水系統(tǒng)設(shè)計見圖3。

水平排水體是在混凝土內(nèi)部埋設(shè)大孔隙材料形成排水通道，材料可選用卵石、碎石、空心磚、空心板、土工排水網(wǎng)等，本工程利用人工骨料場篩余的超徑骨料。水平排水體位于各層廊道頂部，考慮到鉆孔深度和精度，水平排水體寬度取2 m，厚度30 cm，為防止混凝土碾壓過程中水泥漿進入排水體，排水體外部用無紡?fù)凉げ及?。水平排水體連接D150鋼管，將壩體滲水引入下層廊道。

底層廊道左右岸的斜坡段由于坡度較大，為了不影響碾壓混凝土施工，不宜沿廊道頂部斜向布置排水體，而采用在廊道上平段頂部布置水平排水體，軸線與下層的水平排水體軸線重合，一端通入排水斜井，另一端與下層水平排水體重合4 m以上，保證至少2個排水孔同時穿過2層水平排水體，見圖5。

871.50 m高程廊道以下的豎向排水孔，在廊道施工之前進行鉆孔，并避開泄洪底孔和輸水管道部位；871.50 m高程廊道以上的豎向排水孔，由壩頂碾壓混凝土頂面鉆孔，排水孔頂高程904.50 m，泄洪表孔部位則由堰頂常態(tài)混凝土下方的碾壓混凝土面鉆孔。

4.5 壩基抽排系統(tǒng)

河床壩段集水坑位于泄洪底孔下方，集水坑尺寸為3.0 m×3.0 m×3.0 m(長×寬×深)，底部放置WQ2210-408潛水泵，集水坑內(nèi)安裝水位計，自動控制水泵開啟，通過壩體預(yù)埋的排水管將積水排向下游護坦。

4.6 排水設(shè)計特點

云鎮(zhèn)水庫碾壓混凝土壩排水系統(tǒng)設(shè)計在遵循設(shè)計規(guī)范并借鑒已建工程的經(jīng)驗，為了加快施工，減小施工干擾，設(shè)置了岸坡排水斜井和水平排水體，使得大壩的排水系統(tǒng)布置和施工更加簡單，重要特點如下：

(1)壩基排水孔布置在灌漿廊道或岸坡斜井內(nèi)，帷幕灌漿完成后進行鉆孔，施工空間大，排水通暢。

(2) 岸坡斜井施工快速靈活，施工干擾小。

(3) 水平排水體結(jié)構(gòu)簡單，施工快速方便。

(4) 壩體排水孔均采用鉛直鉆孔，施工干擾小，施工簡單，孔斜容易控制。

所有廊道頂部壩體排水口通過廊道頂部預(yù)留的排水管將滲水導(dǎo)入廊道內(nèi)的排水溝，管道布置整齊、美觀。

5 結(jié) 語

碾壓混凝土水化熱低、施工速度快，近些年來碾壓混凝土筑壩技術(shù)在中國得到迅速發(fā)展。碾壓混凝土壩排水系統(tǒng)，無論是鉆孔、埋設(shè)透水管還是拔管法，在施工過程中總是存在施工干擾或是孔斜難以控制等問題。云鎮(zhèn)水庫碾壓混凝土壩在排水系統(tǒng)的設(shè)計中提出新的思路，引入岸坡斜井和水平排水體，使排水設(shè)計和施工更加簡單，對碾壓混凝土施工干擾小，透水性好，施工方便，可靠性高，造價低廉，實用性強，使碾壓混凝土筑壩技術(shù)的優(yōu)勢得以更好的展現(xiàn)。