朱帥

（山西省臨汾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西臨汾，041000）

1 工程概況

化樂(lè)水庫(kù)位于山西省臨汾市蒲縣黑龍關(guān)鎮(zhèn)峽村東2 km處的昕水河南源上，水庫(kù)距蒲縣縣城19 km，總庫(kù)容567.8萬(wàn)m3。大壩為混凝土面板堆石壩，主要建筑物為大壩、溢洪道、泄洪排沙洞。最大壩高44.5 m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.4，面板為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚40 cm，壩址以上控制流域面積186.2 km2。工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期30年，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期300年，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度。

2 大壩趾板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案比選

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查與分析

2.1.1 現(xiàn)狀調(diào)查

經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘，壩線所在的昕水河南源呈“S”形，壩軸線布于順直段。河水流向?yàn)镹30°W，其上游流向?yàn)镹60°W，下游流向?yàn)镾40°W。谷底寬75.8～82.6 m，其中河床寬46.4 m，地面高程1 103.83～1 106.70 m。河床左側(cè)發(fā)育一級(jí)堆積階地，階面高出河床2.45～3.75 m，寬9.6～51.3 m，地形較平坦，地面高程為1 105.33～1 107.29 m，階地堆積物具二元結(jié)構(gòu)。左右兩岸基巖大面積裸露，局部有洪、坡積物覆蓋。左岸為凸岸，下部為碎石土土質(zhì)岸坡，坡度30°～40°；上部為巖質(zhì)岸坡，坡度下陡上緩，下部坡度55°～65°，上部坡度20°～30°，山頂高程1 296.5 m。河谷右岸為凹岸，巖質(zhì)岸坡，坡度40°～70°，山頂高程1 228.5 m。河谷斷面呈“U”形。

2.1.2 現(xiàn)狀分析

從現(xiàn)狀地形及地質(zhì)條件看，壩基地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積物：卵石混合土及級(jí)配不良礫，夾薄層低液限黏土；下伏寒武系上統(tǒng)鳳山組：白云巖，不存在不利于壩基、壩肩穩(wěn)定性的軟弱結(jié)構(gòu)面。

根據(jù)鉆探資料，壩基分布的砂卵礫石夾薄層壤土和砂壤土厚20.85～21.65 m，作為壩基的三種地層，密實(shí)度相差較大，空間分布上有一定差異。因此在壩體填筑過(guò)程中和運(yùn)行期，覆蓋層將會(huì)產(chǎn)生較大的變形，可能會(huì)產(chǎn)生壩基不均勻沉陷，影響壩體安全。

根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄P.0.3，對(duì)于粒徑小于5 mm顆粒含量質(zhì)量百分率大于30%的土，其中粒徑小于0.005 mm顆粒含量質(zhì)量百分率（ρc）相應(yīng)于地震動(dòng)峰值加速度為0.20g不小于18%時(shí)，可判定為不液化。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，化樂(lè)壩基透鏡體ρc為23.9%，大于18%，判定為不液化。

勘察時(shí)取河床砂卵礫石進(jìn)行了顆分和相對(duì)密度試驗(yàn)，其中卵石占61.95%，礫石23.48%，粗砂4.25%，中砂6.2%，細(xì)砂2.35%，粉砂1.78%。有效粒徑d10為1.05 mm，中間粒徑d30為12.38 mm，平均粒徑d50為30.82 mm，界限粒徑d60為54.15 mm，不均勻系數(shù)Cu為101.15，曲率系數(shù)Cc為1.16。最大干密度2.21 g/cm3，最小干密度1.84 g/cm3，密度2.11 g/cm3，含水量7.23%，相對(duì)密度0.73～0.76。

據(jù)SL 228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，趾板下游0.3～0.5倍壩高范圍內(nèi)的壩體地基宜具備低壓縮性。河床段趾板下游約32 m范圍內(nèi)覆蓋層砂卵礫石挖至高程1 094 m，截?cái)嘣摲秶鷥?nèi)的透鏡體，該范圍內(nèi)的黏土夾層全部挖除。河床覆蓋層第一層黏土夾層埋深較淺，可全部挖除，挖至高程1 098 m，其余部位壩基僅清除表層2 m。岸坡段趾板下游其余部位壩基清除表層2 m覆蓋層。

據(jù)SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.6和6.3.7條，防滲帷幕的下限，3級(jí)及以下壩透水率宜為5～10 Lu，壩基下存在相對(duì)不透水層，且埋藏深度不大時(shí)，帷幕應(yīng)深入該層至少5 m，水庫(kù)相對(duì)不透水層按5 Lu控制。

2.2 大壩設(shè)計(jì)概述

大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長(zhǎng)213 m，壩頂高程1 142.5 m,最大壩高44.5 m，壩頂寬8 m。上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.4。

2.2.1 壩體填筑料情況

壩體自上游至下游依次分為混凝土面板（F）、墊層區(qū)（2A）、周邊縫特殊墊層區(qū)（2B）、過(guò)渡層區(qū)（3A）、主堆石區(qū)（3B）、下游堆石區(qū)（3C）及下游干砌石護(hù)坡（3D）。

（1）墊層區(qū)（2A）：墊層料具有低壓縮性、高抗剪強(qiáng)度、內(nèi)部滲透穩(wěn)定性和良好的施工特性。墊層區(qū)頂高程1 139.70 m，水平寬度3.0 m，石料最大粒徑80 mm，小于5 mm的顆粒含量為35%～55%，小于0.075 mm的顆粒含量不超過(guò)8%，且級(jí)配連續(xù)。

（2）特殊墊層區(qū)（2B）：特殊墊層石料最大粒徑40 mm，小于5 mm的顆粒含量為35%～55%，小于0.075 mm的顆粒含量不超過(guò)8%。

（3）過(guò)渡區(qū)（3A區(qū)）：要求采用新鮮的爆破料和洞挖料填筑，石料最大粒徑300 mm，小于5 mm的顆粒含量不大于20%，小于0.075 mm的顆粒含量不超過(guò)6%，級(jí)配連續(xù)。

（4）主堆石區(qū)（3B）：石料最大粒徑800 mm，小于5 mm的顆粒含量不大于20%，小于0.075 mm的顆粒含量不超過(guò)5%。

（5）下游堆石區(qū)（3C）：石料最大粒徑800 mm，小于5 mm的顆粒含量不大于20%，小于0.075 mm的顆粒含量不超過(guò)5%。

（6）下游護(hù)坡區(qū)（3D）：下游壩面采用干砌石護(hù)坡，厚50 cm。

2.2.2 壩體穩(wěn)定分析

化樂(lè)水庫(kù)面板堆石壩屬于Ⅳ級(jí)建筑物，根據(jù)SL 228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定計(jì)算。

根據(jù)SL 274—2020《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，本次共計(jì)算三種工況，分別是：（1）正常運(yùn)用條件：庫(kù)水位處于設(shè)計(jì)洪水位的穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；（2）非常運(yùn)用條件Ⅰ：施工期；（3）非常運(yùn)用條件Ⅱ：正常蓄水位遇地震的上、下游壩坡。

采用北京理正軟件有限公司編制的《滲流計(jì)算分析軟件》分析計(jì)算穩(wěn)定滲流時(shí)的浸潤(rùn)線。

選取河床段的最大斷面（0+096）進(jìn)行上、下游壩坡計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩體和壩基材料強(qiáng)度指標(biāo)Table 1 Intensity indexes of dam materials and foundation ma-terials

壩坡穩(wěn)定按北京理正軟件有限公司編制的理正巖土工程計(jì)算分析軟件中的邊坡穩(wěn)定分析程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of calculation of dam slope stability

由壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

2.2.3 壩體和壩基沉降量

據(jù)現(xiàn)有資料，經(jīng)初步計(jì)算：壩體沉降量為60 cm，壩基沉降量為18 cm，總沉降量為78 cm。據(jù)壩體應(yīng)力變形的三維非線性有限元計(jì)算結(jié)果分析，壩體在施工期的最大沉降為34.1 cm，蓄水期之后壩體的最大沉降量增加很少，由34.1 cm增加至35.2 cm。

2.3 方案比選

根據(jù)現(xiàn)狀分析初擬兩種在技術(shù)上可行的方案。方案一：趾板基礎(chǔ)建在基巖上，趾板下做帷幕灌漿防滲；方案二：趾板基礎(chǔ)建在覆蓋層上，壩基采用混凝土防滲墻加帷幕灌漿防滲。

2.3.1 工程造價(jià)

方案一：上游河床覆蓋層全部挖除，最大壩高59.5 m，趾板直接置于基巖上，趾板下做帷幕灌漿防滲，趾板底部高程1 083.00 m，寬度4 m，厚度0.7 m。方案一設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1。

圖1 方案一設(shè)計(jì)斷面Fig.1 Design profile of scheme 1

方案二：為了減小河床開(kāi)挖，類比同類工程的處理方式，將河床段趾板基礎(chǔ)直接置于河床的覆蓋層上，最大壩高44.5 m，趾板底部高程1 098.00 m，趾板寬4 m，厚0.7 m。由地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果可知，覆蓋層屬于密實(shí)的不均勻的卵礫石混合土，岸坡段趾板位于兩壩肩的弱風(fēng)化層上，下部采用固結(jié)灌漿加固。

河床段壩基采用混凝土防滲墻+帷幕灌漿進(jìn)行處理，防滲墻頂部用連接板與趾板連接，混凝土防滲墻厚1.2 m，最大深度12.2 m，岸坡段帷幕灌漿深度13.2～32.5 m。方案二設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖2。

圖2 方案二設(shè)計(jì)斷面Fig.2 Design profile of scheme 2

方案一工程直接費(fèi)7 154.35萬(wàn)元，方案二工程直接費(fèi)5 991.14萬(wàn)元，方案一比方案二開(kāi)挖量增加19.34萬(wàn)m3，工程直接費(fèi)增加1 163.21萬(wàn)元。從工程造價(jià)比較，方案二優(yōu)于方案一。

2.3.2 施工工期

方案一：由于趾板基礎(chǔ)開(kāi)挖，上游圍堰前移，導(dǎo)致泄洪排沙洞進(jìn)口前移，泄洪排沙洞加長(zhǎng)從而延長(zhǎng)工期。

方案二：泄洪排沙洞布置簡(jiǎn)化，長(zhǎng)度較短，施工工期相對(duì)較短。

從施工工期比較，方案二優(yōu)于方案一。

2.3.3 施工難度

方案一：覆蓋層開(kāi)挖工程量較大，施工圍堰緊鄰開(kāi)挖趾板處，圍堰高度較大，施工導(dǎo)流難度大。

方案二：壩基開(kāi)挖工程量、上游圍堰高度減小，采用大壩臨時(shí)斷面擋水度汛，簡(jiǎn)化施工導(dǎo)流。

從施工難度比較，方案二優(yōu)于方案一。

綜上所述，綜合分析比較方案一和方案二的工程造價(jià)、施工工期、施工難度等方面，選取方案二作為大壩趾板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)工程地形條件和地質(zhì)構(gòu)造，化樂(lè)水庫(kù)大壩趾板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)擬定兩種可行設(shè)計(jì)方案：方案一趾板基礎(chǔ)建在基巖上，趾板下做帷幕灌漿防滲；方案二趾板基礎(chǔ)建在覆蓋層上，壩基采用混凝土防滲墻加帷幕灌漿防滲。

比較兩種設(shè)計(jì)方案的工程造價(jià)、施工工期、施工難度等，最終選用方案二，趾板基礎(chǔ)建在覆蓋層上，壩基采用混凝土防滲墻加帷幕灌漿防滲。 ■