西域砾岩峡谷地形条件下的水库工程技术方案研究

2021-01-19苌登仑

水利规划与设计 2021年1期

苌登仑

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

西域砾岩广泛分布于新疆的天山、昆仑山山麓地带[1]。西域砾岩属软岩，具遇水软化、崩解特性[2]，岩性较差，其所在河道地形多呈河谷深切，岸坡陡立的特点，形成峡谷地形特征。为满足枢纽布置、交通及高边坡稳定等要求，岸坡开挖工程量一般较大。但过量的开挖可能造成挖填失衡，形成大量弃土、弃渣，给环境造成不利影响，巨大的开挖量增加了工程投资，使得工程经济指标下降，因此，在这种峡谷地形条件下，枢纽布置、建筑物型式如何选取，高边坡、卸荷裂隙、冲沟问题如何采取适应性措施策略，才能适应不利的地形条件，保证工程安全，值得研究。迪那河五一水库工程坝址区地层岩性以西域砾岩为主，地形条件为典型的峡谷地形，工程设计中所遇到的问题在类似水利水电工程中相比较为突出。

1 工程概况

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轮台县与阿克苏地区库车县。出山口以上流域面积1615km2，出山口以上河道长度约85km。迪那河径流补给以高山冰雪融水为主、降水和泉水次之。

迪那河五一水库枢纽工程是迪那河干流上的控制性工程，具有供水、灌溉、防洪兼顾发电等综合效益。水库工程由大坝、溢洪洞、导流兼泄洪冲砂洞、发电引水系统和供水管线等主要建筑物组成，水库正常蓄水位1370.0m，最大坝高102.5m，总库容0.995亿m3，调节库容0.591亿m3，为不完全年调节水库。工程规模属中型，工程等别为Ⅲ等；大坝为2级建筑物，泄水建筑物、发电引水建筑物、供水管线建筑物为3级，次要建筑物及临时建筑物为4级。工程区地震基本烈度为Ⅷ度，大坝设防烈度Ⅷ度，其他主要建筑物设防烈度Ⅷ度。工程建设总工期4年，总投资为10.97亿元[3]。

2 坝址地形条件及设计难点分析

五一水库坝址是可行性研究阶段的推荐坝址。坝址位于出山口以上5km处的峡谷河段，天然河道顺直，呈U型河槽，河谷岸坡高度70～87m，河谷底宽30～50m，岸坡坡度70°～85°，坡脚局部倒悬。坝址区阶地发育，尤以左岸突出，右岸阶地在峡谷入口下游900m以后的逐渐消失，右岸岸坡陡崖耸立，高度达150m以上。根据勘查，坝址区规模较大的卸荷裂隙有4条，其中3条位于左岸岸坡顶部，1条位于右岸坝肩，其长度95～105m，深度30～60m。坝址区较大冲沟集中在右岸，分布在坝轴线上、下游侧，间距200～400m不等，与河流垂直或斜交。坝址区地层岩性单一，为第四系西域砾岩(Q1)，呈厚层状，岩体完整性较好，具备建库建坝的地质条件。

由于河道弯曲与顺直情况、河槽宽度、岸坡陡缓程度、岸坡卸荷体及冲沟发育等情况，对枢纽布置、建筑物选型、施工组织设计、交通等产生重大影响，因此，工程设计着重对河道地形条件下的枢纽布置、交通方案及建筑物选型等问题进行技术比选研究。河道地形条件给工程设计带来的问题主要有：

(1)河谷狭长、岸坡陡峭，交通制约因素大。坝址区两岸岸坡卸荷裂隙和冲沟发育，其下游右岸山体高耸，均无布置跨河交通的地形条件。峡长的河谷也无可利用的地形布置永久进厂道路。

(2)可利用河段长度严重不足。坝址河段全长约500m，其中适合枢纽建筑物布置的河段长约250m。对于坝高102.5m的大坝，该河段长度对坝线选择来说较为不足，但同时还需考虑上游围堰及下游的电站厂房等建筑物的布置。

(3)峡谷河段宽度严重不足。狭窄河谷产生的拱效应能够造成防渗体拉裂或挤压破坏，造成防渗性能下降。由于下游坝坡坡面宽度不足，不利于上坝道路布设；坝后厂房、导流兼泄洪冲砂洞出口段建筑物及工业供水进口段建筑物布置困难；溢洪洞出口段建筑物布置困难。

(4)高边坡问题。水库蓄水后，库岸卸荷体垮塌造成的涌浪，或造成进水口堵塞，都可能严重威胁工程安全。工程建成后，泄洪、发电水流对岸坡坡脚浸泡、冲蚀，造成岸坡垮塌，由于岸坡高陡，塌方量大，极易阻塞河道形成堰塞湖。

(5)冲沟问题。冲沟内洪水、泥石流会对大坝坡面和岸坡坡面造成冲蚀、掏刷破坏，也极易冲毁位于冲沟下部的建筑物。其中位于坝轴线下游230m处的较大冲沟，处于电站厂房及工业供水进口段顶部，必须采取措施保证建筑物安全。

3 不利地形下的技术方案研究

3.1 坝线方案选择策略

坝址位于峡谷入口以下河段，全长约500m，其中前段400m存在较小弯道，凸岸在左岸。坝轴线布置时考虑避开左岸上下游卸荷裂隙，选择坝肩基岩稳定区域；右坝肩避开右岸冲沟的影响，位于两条相距约200m冲沟之间较完整的岩体上；由于峡谷进口段地形开阔，上游围堰尽量缩进峡谷，以减少填筑工程量；大坝下游坡脚右岸的冲沟，经边坡开挖后的空间可满足厂房的布置，厂房不宜再向下游移动。经过综合考虑，坝轴线最终确定在峡谷入口下游约300m的位置。上游围堰与坝体结合，其轴线布置在峡口进口处下游150m处；电站厂房回填高程以下与坝体填筑区重合，厂房与下游坝坡靠紧布置；考虑峡谷进口左岸山体作为泄洪、发电引水建筑物进口；弯道末段左岸作为导流兼泄洪冲砂洞的出口段；溢洪洞出口位于厂房下游约350m的左岸山体。

3.2 坝型方案优选

坝址区河谷狭窄，呈U型河槽，两岸谷坡基本对称，山体宽厚，从地形条件来看适合修建混凝土坝坝型。但在弹模仅500MPa的沙砾岩上修建混凝土坝，在国际上也属于史无前例。坝址区地层西域砾岩岩性属软岩，岩性单一，呈厚层状，岩体较完整，适合布置土石坝。考虑从面板坝、粘土心墙坝及沥青混凝土心墙坝3种坝型中优选。

(1)混凝土面板坝

混凝土面板坝坝体填筑量较小，在一个枯水期将坝体临时断面抢筑至度汛水位以上，简化导流度汛的程序和导流建筑物的规模。但是狭窄、高陡河谷的地形条件使得两岸混凝土趾板布置非常困难，沿混凝土趾板线和两坝肩范围内均存在着边坡开挖量大、高边坡处理范围广的问题，边坡处理和坝体填筑施工干扰大，不但施工工期长，工程投资也大。此外，资料表明，建在狭窄河谷的高混凝土面板堆石坝均出现了很大的压缩裂缝和剪切裂缝[4]。

(2)粘土心墙坝

坝址区河谷狭窄、高陡，尤其是主河床坝段与两岸阶地坝段变坡较大，粘土心墙容易产生裂缝，需采取工程措施，如放缓心墙两侧边坡坡度，选用中厚型粘土心墙，加大心墙的底宽等措施，以减轻拱效应，避免产生裂缝。但其不利因素较为明显：心墙最大底宽达到64m，两坝肩心墙防渗体范围内的坝肩开挖和边坡处理量大，范围较广，施工干扰较大，工期较长；粘土心墙坝方案由于用料品种多、数量大，过多开挖导致弃渣量大，环保、水保投入高；另外，土料场为耕地，在征地方面难度较大。

(3)沥青混凝土心墙坝

近年来，新疆水利工程中沥青混凝土心墙坝独树一帜，有多座在高严寒、高海拔、高地震烈度、深厚覆盖层、多泥沙条件下建设的沥青混凝土心墙坝[5]。沥青混凝土防渗墙自身具有较强的变形能力[6]，在主河床坝段与两岸阶地坝段变坡较大处，沥青混凝土可选用高塑性、适合较大变形的配合比[7-8]，因此对不均匀沉降有更强的适应能力。沥青混凝土防渗体体积较小，心墙基槽宽度不足粘土心墙的1/5，引起高边坡处理的范围及工程量远小于粘土心墙，坝体填筑与边坡开挖工程量较小，施工干扰小，施工工期短。该方案投资与粘土心墙坝接近，比面板坝少2640万元。

经综合比选，沥青混凝土心墙对峡谷地形条件的适应能力更强，施工工期、工程投资方面也占优势。因此，选择沥青混凝土心墙坝坝型。

3.3 枢纽布置方案优选

枢纽布置方案包括了建筑物布置型式和永久交通型式两方面的优选。

3.3.1建筑物布置型式优选

枢纽布置方案选择泄洪发电引水系统左右岸分开布置、左岸集中布置及表孔台地溢洪道的布置型式。将泄洪、发电引水系统布置于右岸，凹岸的地形条件使得泄洪、发电引水系统洞线增长，发电洞要以明洞型式穿越右坝肩上游冲沟，施工困难，边坡开挖工程量大；跨河交通等临时措施投入较多，须增设3座临时钢桥，其中跨越河谷的斜拉钢桥跨径80m，布置在坝轴线下游与厂房之间的高边坡顶部，施工难度过大，费用高。河道下游转弯段据坝轴线较远，台地溢洪道泄槽段长度太大，虽然开挖量较小，但混凝土、铅丝石笼护砌工程量大，河道岸坡高陡使得溢洪道陡坡段落差较大，带来巨大土石方开挖及混凝土浇筑工程量，表孔只有选择洞室型式才能节省投资。因此，泄洪、发电引水系统均以洞室型式集中布置于左岸山体。

3.3.2永久交通型式方案优选

在峡谷地形条件下，永久进厂道路可以有如下选择：①通过大坝下游坝坡的“之”字型道路进厂，②通过交通洞进厂，③通过开挖边坡形成“之”字型道路进厂。三种方案须考虑与大坝填筑的临时交通相结合。

在坝址区峡谷空间尺度下，在大坝下游增设“之”字型道路产生巨大的开挖量，是不现实的，因此不予选用。在大坝下游坡面设“之”字型道路，坝后两岸岸坡也产生巨大的开挖量和坝体填筑量，是不经济的，也不予选用。

从左岸阶地修建交通洞进厂的布置方案洞长约1300m，高差87m，临时交通洞总长约1202m，永久交通洞须作全断面衬砌。导流兼泄洪冲砂洞出口段左岸存在一条长65m，深60m的卸荷裂隙BⅡ，出口段开挖本身是结合对该卸荷裂隙处理进行的，如在其基础上扩挖即可形成进厂道路，施工期上坝路则结合下游坝坡左岸左岸边坡开挖，增加马道宽度形成，该方案工程投资较交通洞方案低约2100万元。故选用边坡扩挖形成“之”字型进厂道路方案。

3.4 建筑物布置策略

根据枢纽布置总体方案，泄洪、发电引水系统布置于左岸山体，建筑物较为集中。但建筑物布置仍面临河槽顺直，河道宽度不足两大难题，必须采取相应的策略措施予以解决。

3.4.1针对河槽顺直的策略措施

解决河道顺直的策略措施主要是充分利用弯道[9]。发电洞是有压洞，可设置弯道转弯。将导流兼泄洪冲砂洞的事故门和工作门分开设置，在两个闸井之间的有压洞段设置弯道，实现发电洞、导流兼泄洪冲砂洞进、出口位置的互换，使得厂房布置于右岸冲沟开挖后的预留位置，而导流兼泄洪冲砂洞出口段靠近左岸布置，顺直接入河道。溢洪洞洞身段中部从“之”字形进厂道路外侧的山体通过，为了保证洞身旁山厚度，考虑洞线较为顺直接入河道，同时避免溢洪洞出口段左岸产生过大开挖量，在控制段与进口引渠间设置了32°的弯道。

3.4.2针对河道宽度不足的策略措施

河道宽度不足在溢洪洞出口段最为突出。溢洪洞出口段河谷宽度30～50m，岸坡陡立，高度62～82m。若采用“晚出洞”型式，出口段建筑物将占用大部分河道，严重影响河道过流，若采用“早出洞”，又将大幅增加开挖工程量。为了将明渠末端控制在岸坡坡脚处，设计中采用了悬栅、梯形消能墩结合的新型辅助消能工[10]，使消力池长度缩短了21m，将消力池扩散段前段24.5m移至洞内，形成“晚出洞”布置型式，节省石方开挖量84万m3。

3.5 高边坡处理策略

3.5.1联合进水口高边坡处理策略

联合进水口位于峡谷进口左岸山体，结合建筑物进口高程，从岸里向岸外依次布置导流兼泄洪冲砂洞进口段、发电洞进口段及溢洪洞进口引渠前段，并开挖形成联合进水口。

原始地形地质条件为：库岸自然边坡近直立，高84m，陡坡顶部发育BⅠ卸荷岩体，其走向与岸坡近平行，水平长度105m，水平宽度5～9m，垂直深度60m。岸坡岩体上部为Q1西域砾岩，下部N2q地层为泥岩、砂砾岩、泥质砂岩互层，单层厚0.4～4m，并与西域砾岩整合接触。Q1西域砾岩形成时代新，成岩作用差，强度低，水库蓄水后，在库水淘蚀作用下会产生坍塌及岸坡再造现象，严重时将危及工程安全。泥岩遇水软化，强度基本完全丧失，可能加速边坡失稳或是边坡失稳的诱因[11]。

BⅠ卸荷岩体绝大部分处于联合进水口的开挖范围内，其尾部采用补充开挖卸除上部荷载，以解决BⅠ卸荷岩体的安全隐患。为保证高边坡的稳定性、节省开挖量，设计中采用“坡顶削坡减荷、坡脚堆料压重、中部混凝土置换泥岩层、坡面整体喷锚防护”的高边坡综合处理方法[11-13]，其稳定安全也得到了计算验证[14]。

3.5.2坝后高边坡处理策略

坝后高边坡处理同时应考虑冲沟、卸荷裂隙的问题。采取的措施策略主要有：

(1)开挖。解决高边坡问题最有效的方法是开挖，但过度开挖造成投资剧增，不可行。在卸荷裂隙发育岸坡，边坡开挖主要是与建筑物开挖结合。利用坝轴线下游两处凹岸分别布置导流兼泄洪冲砂洞、溢洪洞出口段，这两个凹岸存在BⅡ、BⅣ卸荷岩体，导流兼泄洪冲砂洞左岸经“之”字型进厂道路扩挖后，将BⅡ卸荷体全部挖除；坝轴线下游235m处(厂房右岸)的冲沟规模较大、卸荷裂隙发育，对其沟口边坡采取全部挖出的策略。在岩体整体性较好的岸坡，采取不开挖或仅对其上部作削坡处理(减载)，工业供水进水口岸坡岩体完整，对其上部三分之一高度岸坡进行削坡处理；BⅣ卸荷体位于溢洪洞出口段下游，结合溢洪洞左岸开挖，将其上部挖出，其下部稳定性较好，不再挖除。

(2)护脚。采用混凝土重力挡墙与喷锚支护结合的方式对岸坡坡脚进行防护，防止水流对岸坡坡脚掏刷。导流兼泄洪冲砂洞、溢洪洞出口段均位于左岸，河道右岸岸坡坡脚防护尤为重要，其范围包括从导流兼泄洪冲砂洞出口明渠末点至溢洪洞出口下游350m河道大转弯段，长约750m；河道左岸护脚范围包括从导流兼泄洪冲砂洞出口明渠末点至溢洪洞出口边坡开挖末点，长约460m。

(3)挡水。在高边坡顶部做防洪堤，阻挡高边坡顶部阶地汇水，减轻对高边坡坡面的侵蚀、冲刷，防洪堤同时考虑拦断冲沟向河道排水，将冲沟内洪水也通过防洪堤导向下游河道，保证坝坡、岸坡及其下部建筑物安全。