陳 春 文， 何 萬 通

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

0 引 言

水利水電建設(shè)中，壩型選擇至關(guān)重要。壩型選擇合理，則造價低、建壩速度快、質(zhì)量好；壩型選擇不當(dāng)，則造價高，建壩工期長，質(zhì)量次，甚至被迫停工修補(bǔ)，損失巨大。對水利水電工程壩型的選擇，通常提出幾個可行性壩型，通過對相關(guān)影響因素分析，憑地質(zhì)條件適宜性，工程造價的大小，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、水利生態(tài)環(huán)境、材料價格及材料運輸費用、料場的選擇利用及開采程度、防洪度汛、運行管理及日后維修維護(hù)費用等[2]，可謂涉及面廣，影響因素多。而當(dāng)前我國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?，并最終選定為礫石土直心墻堆石壩。而本文的研究對象，同樣建于大渡河之上的猴子巖水電站則主要對混凝土面板堆石壩、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。

1 壩區(qū)地質(zhì)的基本特性

猴子巖水電站 壩址區(qū)河谷狹窄，呈對稱的“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，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，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)向為N80°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；以及一些次級小斷層、層間擠壓破碎帶及節(jié)理裂隙等。工程場地不具備發(fā)生強(qiáng)震及中強(qiáng)震的地質(zhì)構(gòu)造條件，地震危險性主要來自外圍強(qiáng)震活動的影響波及。根據(jù)工程場地地震安全性評價結(jié)果，猴子巖水電站工程場地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%基巖場地水平峰值加速度為297 gal，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。

2 不良地質(zhì)條件分析

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)問題是壩型成立的決定性因素，兩者結(jié)合起來的綜合因素構(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、壩前右岸潛在活動性泥石流溝、壩后左岸巨型冰水堆積體等方面。

2.1 河床深厚覆蓋層

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題。由于第②層(見圖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，屬密實土。經(jīng)標(biāo)貫試驗得到其承載力標(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)滲透變形試驗測得其滲透系數(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)定問題。根據(jù)振動液化判別規(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。

我國在深厚覆蓋層上建壩的工程實踐很多，對于覆蓋層壩基處理積累了豐富的工程經(jīng)驗，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的長河壩電站，對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覆蓋層表層深度20 m的淤泥質(zhì)壤土層，原設(shè)計采取全部挖除方案，在工程實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，針對猴子巖壩址的深厚覆蓋層問題，在后期壩型選擇的同時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)

2.2 壩前右岸潛在活動性泥石流溝

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，磨子溝村坐落其上。該平臺以下溝段內(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，沒有發(fā)生大規(guī)?；隆⒖逅炔涣嫉刭|(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自暴雨期坡面片流對現(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)行計算預(yù)測，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，水庫正常蓄水后，溝內(nèi)堆積物前緣被水淹沒，可形成庫岸塌岸。由于泥石流溝距離壩址較近，在壩型選擇過程中，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)運動對大壩基坑施工及大壩運行安全產(chǎn)生影響。

2.3 壩后左岸巨型冰水堆積體

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，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，計算分析泄洪雨霧對堆積體邊坡的影響，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m3。堆積體成因為冰水積，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，邊坡未見變形破壞跡象，現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。同樣對其進(jìn)行泄洪雨霧工況穩(wěn)定性計算，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。泄水過程的長期霧化，會對之穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，在壩型選擇過程中，一是考慮霧化區(qū)盡量避開堆積體，減少泄洪雨霧對堆積體邊坡穩(wěn)定的弱化，例如拱壩的壩身泄水便可拉開與堆積體的距離；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)，地下洞室不易穿過堆積物內(nèi)部，地表泄洪也不宜布置于坡體之上。

3 可選壩型方案比選

針對猴子巖壩址區(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。三種壩型對建壩地質(zhì)條件的要求是不同的，對面板堆石壩而言，建壩條件主要研究兩方面的因素：一是趾板巖體的強(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。心墻堆石壩對壩基要求相對不高，其關(guān)鍵問題主要是土心墻料的強(qiáng)度和抗?jié)B流穩(wěn)定等問題。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%時第一批機(jī)組可在低水頭下投放運行等特點，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。混凝土拱壩在改善結(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，在我國得到廣泛應(yīng)用，特別是高壩水庫中應(yīng)用比例較高。

對猴子巖電站壩址區(qū)前述主要工程地質(zhì)問題做可靠處理后，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。相對心墻堆石壩，設(shè)計壩坡較陡，基坑開口線距磨子溝較遠(yuǎn)，約126 m，可避免磨子溝泥石流問題，但存在深基坑穩(wěn)定和涌水問題。針對壩后左岸泥洛堆積體穩(wěn)定問題，因無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)置開敞式溢洪道，將泄洪出口置于堆積體上游，對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，壩殼置于較密實的河床第①層含漂(塊)卵(碎)砂礫石層上。鑒于設(shè)計壩坡較面板堆石壩緩，基坑開口線距磨子溝較近，約60 m，同時存在深基坑穩(wěn)定和涌水問題。若對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題是，心墻土料需要從下游13 km外的土料場運取，需征用土地600余畝，土料的開采運輸對當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響較大。相對而言，面板堆石壩方案可減少填筑400萬m3，且無需征用土料場。

(3)拱壩方案壩基需全部挖除河床覆蓋層，基坑范圍相對較小，上游圍堰置于磨子溝口下游，基本避開泥石流的影響。大壩距下游泥洛堆積體相對較遠(yuǎn)，并可充分利用壩身泄洪，減輕對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)平臺等高邊坡和河床深基坑穩(wěn)定問題，且鑒于巖體透水率q≤1 Lu相對抗水層埋深大，壩基防滲工程量較大。由于拱壩方案對勘察深度的要求遠(yuǎn)高于堆石壩方案，為滿足拱壩設(shè)計需要，將補(bǔ)充許多勘察工作，工期相應(yīng)面板堆石壩方案延長一年，同時將增加工程靜態(tài)投資和動態(tài)投資。相對而言，面板堆石壩方案具有工期短、投資省、收益早的明顯優(yōu)點。

4 面板堆石壩方案的實施

可研階段壩型選擇報告的最終審查中，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m3，上游鋪蓋66萬m3，下游壓重體56萬m3，總填筑工程量992萬m3，混凝土面板面積5.95萬m2，接縫總長7 650 m。對于壩基的處理方案如下：趾板至壩軸線附近河床開挖至基巖，其中趾板、防滲板部位開挖至新鮮或弱風(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)計要求進(jìn)行植被及覆蓋層清理，對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)計坡比。最后對粘質(zhì)粉土層進(jìn)行了開挖處理，采取平面分區(qū)、立體分層施工方法，通過在左側(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挖方式。最終于2013年4月中旬完成大壩基坑開挖，比計劃工期提前40天[3]。

經(jīng)過業(yè)主單位的精心籌劃、參建各方的細(xì)致工作以及咨詢審查專家的跟蹤把關(guān)，猴子巖電站首臺機(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。

5 結(jié) 語

水利水電工程建設(shè)中的壩型選擇問題因其涉及因素眾多，建成之后的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性評價不易，歷來爭議較多，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，對深厚覆蓋層上高壩大庫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，這些經(jīng)驗一方面對于指導(dǎo)地質(zhì)條件類似地區(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)計初期，曾考慮借鑒下游瀑布溝的經(jīng)驗選用最大壩高155 m的碎石土心墻壩，隨著勘察設(shè)計工作的深入，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的危險。修建大壩時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)我國面板堆石壩建壩數(shù)量多，當(dāng)前正朝著300 m級高面板堆石壩、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、高水頭下堆石料力學(xué)特性、滲透特性及長期變形特性試驗等方面仍是技術(shù)難題，還應(yīng)加強(qiáng)研究。