云鎮(zhèn)水庫碾壓混凝土壩排水設計特點

王錦峰,楊鑫平

(1.陜西省水利電力勘測設計研究院，西安 710001;2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，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，出口設弧形工作閘門，采用挑流方式消能；泄洪表孔寬10 m，孔口設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，易于風化，具有明顯的片狀風化的特點，風化深度大，左岸強風化厚度10～35 m，弱風化厚度31～34 m；河床強風化厚度3～5 m，弱風化厚度18～21 m；右岸強風化厚度8～14 m，弱風化厚度33～39 m。強風化巖體呈片狀、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)設計

由于壩址下伏基巖片理發(fā)育，風化深度大，壩基根據(jù)大壩不同部位以及相應的應力條件進行開挖設計，河床段壩基開挖至弱風化中部，左右兩岸壩肩大多開挖至弱風化中上部，左壩肩上部由于風化深度過大，上部20 m壩高的壩基仍坐落于強風化巖層。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。大壩標準剖面設計見圖2。

(3) 設置抗滑齒槽

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) 提高防滲標準

帷幕灌漿防滲標準為3 Lu，壩基上游側(cè)設置一排帷幕灌漿，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)設計

4.1 排水系統(tǒng)設計原則

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。排水孔孔深應根據(jù)帷幕和固結(jié)灌漿的深度及基礎的工程地質(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)的設計應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計規(guī)范，對于設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)水庫大壩設置2層廊道，壩基帷幕和排水孔位置應盡量靠近上游，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，導致該區(qū)域滲透壓力過大，達不到設計要求，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。

斜井斷面為3.0 m×3.0 m(寬×高)矩形，見圖4，施工采用預制混凝土梁作內(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?；炷亮簲嗝鏋?0 cm×60 cm(寬×高)，為了減小預制構(gòu)件重量以便于安裝，一層預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 壩基排水設計

由于壩址基巖風化深度大，壩基開挖設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計標準。

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、埋設透水管或拔管等方法。采用埋設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)設計見圖3。

水平排水體是在混凝土內(nèi)部埋設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，排水體外部用無紡土工布包裹。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，通過壩體預埋的排水管將積水排向下游護坦。

4.6 排水設計特點

云鎮(zhèn)水庫碾壓混凝土壩排水系統(tǒng)設計在遵循設計規(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留的排水管將滲水導入廊道內(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)的設計中提出新的思路，引入岸坡斜井和水平排水體，使排水設計和施工更加簡單，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)。