鄭如義

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 太原 030024）

1 工程概況

柏葉口水庫(kù)位于山西省呂梁市交城縣會(huì)立鄉(xiāng)柏葉口村上游約500 m的文峪河干流上，是一座以城市生活和工業(yè)供水、文峪河水庫(kù)防洪為主，兼顧提高現(xiàn)有灌區(qū)的灌溉保證率、發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程，主要由大壩、溢洪道、泄洪發(fā)電洞和水電站等建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩。泄洪發(fā)電洞進(jìn)口位于壩軸線上游左岸，距壩軸線上游約210 m，出口位于河流彎道下游，距柏葉口村約250 m，洞軸線走向?yàn)镹80.37°W。該洞呈直線布置，由進(jìn)口段、洞身段、出口控制閘、泄槽和挑流消能段組成。該洞總長(zhǎng)度699.7 m，最大泄量402 m3/s.

2 地形地質(zhì)條件

泄洪發(fā)電洞洞進(jìn)口位于文峪河左岸公路旁的岸坡處，為基巖岸坡，該處修公路時(shí)已進(jìn)行過(guò)削坡，下部岸坡坡度60°～70°，上部岸坡坡度 40°～50°.出口位于文峪河左岸公路旁的岸坡處，岸坡坡度30°～35°.出口之后為河流Ⅰ級(jí)堆積階地，泄洪洞洞身地層巖性主要有界河口群一段混合花崗巖、變粒巖組，下游洞段穿過(guò)變質(zhì)輝長(zhǎng)巖（輝綠巖）巖墻，出口段為二段混合花崗巖組，以及零星分布的大理巖和第四系松散堆積層。泄洪洞沿線巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙寬0.1～8.0 cm，發(fā)育密度1.5條/m，節(jié)理裂隙延伸較長(zhǎng)，切割深度大。泄洪發(fā)電洞洞身大部分位于地下水位以下，地下水位最高處，高于設(shè)計(jì)洞頂約60 m，僅進(jìn)、出口段洞身位于地下水位附近或以上。

3 原設(shè)計(jì)方案

泄洪洞結(jié)合發(fā)電洞布置在大壩左岸，泄洪洞進(jìn)口距壩軸線210 m,利用柏葉口下游天然河道轉(zhuǎn)彎的有利地形，將泄洪洞出口布置在柏葉口村下游，洞軸線為直線，由進(jìn)水塔、有壓隧洞、出口閘室、泄槽及挑流段組成。該洞進(jìn)、出口均布置在弱微風(fēng)化巖層中，開(kāi)挖較深。進(jìn)水塔后接10 m的漸變段（方變圓），縱坡為0，緊接24 m縱坡為31.9%的陡坡段，然后是499 m縱坡為1%的緩坡段，后接10 m的漸變段（圓變方），該洞全長(zhǎng)543 m.該洞進(jìn)口底相對(duì)高程為17.1 m，（相對(duì)高程以壩底最低趾板底為零點(diǎn)計(jì)算，下同）出口底相對(duì)高程為4.35 m，最大泄量404 m3/s.

4 原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題

1）該洞進(jìn)出口高程較低，開(kāi)挖量大。原方案進(jìn)口底相對(duì)高程17.1m，僅比原河床高1 m，出口底相對(duì)高程為4.35 m，與設(shè)計(jì)洪水時(shí)下游河床水位齊平。原河床上砂礫石易進(jìn)入泄洪洞，影響電站的正常運(yùn)行。另外，進(jìn)出口高程低，增加開(kāi)挖量。

2）隧洞進(jìn)出口的布置靠近山體分水嶺，開(kāi)挖量大。雖然隧洞進(jìn)出口均布置在微風(fēng)化層，圍巖條件好，隧洞長(zhǎng)度短；但是，因修公路，該洞進(jìn)口岸坡坡度下部60°～70°，上部40°～50°，出口岸坡坡度雖緩，但也達(dá)30°～35°；進(jìn)出口偏向分水嶺布置，勢(shì)必造成進(jìn)出口部分開(kāi)挖深度大，開(kāi)挖量大，施工困難。

3）該洞縱坡變化多，不利于泄洪和施工。該洞進(jìn)口10 m為水平段，縱坡為i=0%，緊接者是縱坡為i=31.9%的陡坡段，其后又是縱坡為i=1%的緩坡段，出口漸變段縱坡也是i=1%。特別是24 m縱坡為i=31.9%的陡坡段的存在，造成局部水頭損失，影響泄流條件。另外，由于該段坡度較陡，給進(jìn)口段施工帶來(lái)困難。

5 新設(shè)計(jì)方案

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題，新方案作了以下修改：

1）調(diào)高進(jìn)、出口洞底高程。在保證盡可能多地宣泄庫(kù)水的情況下，將進(jìn)口底相對(duì)高程抬高至18.5 m，防止庫(kù)內(nèi)砂礫石進(jìn)入該洞，影響電站運(yùn)行。出口底相對(duì)高程調(diào)高至5.0 m，以利泄洪。

2）將該洞進(jìn)出口的位置向山體外調(diào)整，降低洞臉圍巖的開(kāi)挖高度。原設(shè)計(jì)該洞進(jìn)口出處埋深51 m，出口處埋深37 m，雖然進(jìn)出口位于微風(fēng)化層，易成洞臉，但是開(kāi)挖量巨大，對(duì)周圍環(huán)境破壞大。經(jīng)技施階段進(jìn)一步勘察和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖，查明該洞進(jìn)出口的強(qiáng)、弱風(fēng)化層并沒(méi)有原來(lái)估計(jì)的深，地質(zhì)條件較好；因此，將該洞向上游延伸，洞口設(shè)在弱風(fēng)化層，靠近強(qiáng)風(fēng)化層的下線，此處埋深24.3 m，洞頂以上7.5 m處開(kāi)始放坡，以下垂直開(kāi)挖。該洞出口向下游延伸，出口處圍巖埋深15.6 m，洞頂處開(kāi)始放坡，以下垂直開(kāi)挖。因出口處左岸山體陡峭，開(kāi)挖量大，在施工過(guò)程中，根據(jù)該洞出口處的圍巖情況，又將出口向下游延伸7.5 m，出口開(kāi)挖量進(jìn)一步減少。

3）取消該洞的陡坡段，采用統(tǒng)一縱坡，坡度i=2.25%.

6 優(yōu)化設(shè)計(jì)后所取得的效益

1）有利于施工。通過(guò)調(diào)整進(jìn)出口位置，進(jìn)出口圍巖的埋深顯著降低，洞臉開(kāi)挖簡(jiǎn)單易行。該洞采用統(tǒng)一縱坡后，有利于進(jìn)口段開(kāi)挖施工，便于出渣。

2）有利于電站安全運(yùn)行。調(diào)高隧洞進(jìn)口底高程，可減少庫(kù)區(qū)砂礫石進(jìn)入隧洞，有利于下游電站的安全運(yùn)行。

3）節(jié)省了工程投資。調(diào)整了隧洞的進(jìn)出口位置后，該洞的長(zhǎng)度增加了，隧洞的投資增加了；但是洞臉的開(kāi)挖量及支護(hù)工程量明顯減少。二者相抵，仍節(jié)省投資。具體見(jiàn)表1.

表1 設(shè)計(jì)方案比較表

經(jīng)對(duì)比分析，該洞優(yōu)化后，隧洞的長(zhǎng)度增加了64.5 m，洞身段的工程量增加不大，投資增加60.96萬(wàn)元，但是，進(jìn)出口的開(kāi)挖工程量顯著減少，節(jié)省投資517.55萬(wàn)元，總的工程投資有大幅度的減少。

4）有利于環(huán)境保護(hù)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該洞進(jìn)出口石方開(kāi)挖量減少了83 254 m3，減少開(kāi)挖坡面防護(hù)面積及棄渣用地，降低了產(chǎn)生滑坡危害的可能性。最大限度地減少了對(duì)原該洞進(jìn)出口岸坡地貌的擾動(dòng)及植被破壞。

5）降低了施工難度。該洞進(jìn)出口處由于修公路，造成該兩處山勢(shì)陡峻，開(kāi)挖放坡困難。原設(shè)計(jì)方案進(jìn)口的開(kāi)挖深度和放坡高度分別為51 m和43 m，優(yōu)化后，二者分別為24.3 m和40.6 m；原設(shè)計(jì)方案出口的開(kāi)挖深度和放坡高度分別為37 m和42 m，優(yōu)化后，二者分別為15.6 m和34.3 m.特別是隧洞出口左側(cè)緊靠峭壁，其坡度達(dá)70°～80°，再有上部省道S320改線進(jìn)行中，不時(shí)有危石滾落，增大該處的開(kāi)挖難度；因此承包人多次提出延長(zhǎng)隧洞，不愿開(kāi)挖。發(fā)包人委托浙江工業(yè)大學(xué)等單位對(duì)該洞出口段進(jìn)行了分析計(jì)算，設(shè)計(jì)院根據(jù)該計(jì)算成果又在技施設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將該洞向出口延伸了7.5 m，方便了施工，加快了施工進(jìn)度。

7 幾點(diǎn)體會(huì)

1）根據(jù)工程實(shí)際情況，靈活地應(yīng)用規(guī)范。《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL279-2002）規(guī)定：“隧洞進(jìn)出口宜選在地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，巖體完整，風(fēng)化覆蓋層較淺的地區(qū)，避開(kāi)不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)和容易發(fā)生崩塌、沖溝、危崖、滑坡的地區(qū)”。原設(shè)計(jì)進(jìn)水塔及出口閘室布置在弱風(fēng)化帶下限附近，雖滿足規(guī)范要求，但洞臉開(kāi)挖量大，造價(jià)高。現(xiàn)將進(jìn)水塔和出口閘室布置在弱風(fēng)化層、靠近強(qiáng)風(fēng)化帶下限附近，經(jīng)勘察，該處地質(zhì)條件滿足作為進(jìn)水塔地基的要求，洞臉開(kāi)挖量顯著減少，降低了工程造價(jià)。

2）隧洞進(jìn)出口布置宜采用“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則。隧洞的長(zhǎng)度與進(jìn)出口的相對(duì)位置及洞口開(kāi)挖深度有關(guān)，采用此原則，雖然增加了隧洞的長(zhǎng)度，洞身段工程量的增加并不多。相反，若為縮短洞身段的長(zhǎng)度，將進(jìn)出口布置向分水嶺靠近，隧洞的長(zhǎng)度縮短了，進(jìn)出口建筑物及洞臉施工條件較好；但是，進(jìn)出口洞臉開(kāi)挖量增加很多，甚至由于進(jìn)出口深挖方，而出現(xiàn)滑坡、塌方等次生災(zāi)害，即使由于隧洞縮短了，減少的工程量也不明顯。因此，在隧洞布置時(shí)，宜適當(dāng)增加隧洞長(zhǎng)度，可大幅度減少進(jìn)出口的開(kāi)挖工程量。

3）根據(jù)工程實(shí)際情況，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)。任何設(shè)計(jì)都是根據(jù)當(dāng)時(shí)所掌握的工程條件來(lái)進(jìn)行的，由于當(dāng)時(shí)條件所限，設(shè)計(jì)人所了解的工程條件與實(shí)際是有出入的；如：該隧洞開(kāi)挖后揭示的進(jìn)出口強(qiáng)風(fēng)化層的厚度與原地質(zhì)圖標(biāo)示的厚度有出入，實(shí)際情況是該洞進(jìn)出口強(qiáng)風(fēng)化層的厚度比原地質(zhì)圖要小，將進(jìn)水塔和出口工作閘室向外布置，完全可以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)者要與時(shí)俱進(jìn)，因地制宜，根據(jù)實(shí)際的工程情況，改進(jìn)設(shè)計(jì)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全的目的。