朱帥

（山西省臨汾市水利勘測設(shè)計院，山西臨汾，041000）

1 工程概況

化樂水庫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，水庫距蒲縣縣城19 km，總庫容567.8萬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，次要建筑物為5級。水庫設(shè)計洪水標(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)過實地踏勘，壩線所在的昕水河南源呈“S”形，壩軸線布于順直段。河水流向為N30°W，其上游流向為N60°W，下游流向為S40°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，密實度相差較大，空間分布上有一定差異。因此在壩體填筑過程中和運行期，覆蓋層將會產(chǎn)生較大的變形，可能會產(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)于地震動峰值加速度為0.20g不小于18%時，可判定為不液化。根據(jù)土工試驗結(jié)果，化樂壩基透鏡體ρc為23.9%，大于18%，判定為不液化。

勘察時取河床砂卵礫石進(jìn)行了顆分和相對密度試驗，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%，相對密度0.73～0.76。

據(jù)SL 228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(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，截斷該范圍內(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)計規(guī)范》第6.3.6和6.3.7條，防滲帷幕的下限，3級及以下壩透水率宜為5～10 Lu，壩基下存在相對不透水層，且埋藏深度不大時，帷幕應(yīng)深入該層至少5 m，水庫相對不透水層按5 Lu控制。

2.2 大壩設(shè)計概述

大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長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8%，且級配連續(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8%。

（3）過渡區(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6%，級配連續(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

化樂水庫面板堆石壩屬于Ⅳ級建筑物，根據(jù)SL 228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》要求進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定計算。

根據(jù)SL 274—2020《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，本次共計算三種工況，分別是：（1）正常運用條件：庫水位處于設(shè)計洪水位的穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；（2）非常運用條件Ⅰ：施工期；（3）非常運用條件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《滲流計算分析軟件》分析計算穩(wěn)定滲流時的浸潤線。

選取河床段的最大斷面（0+096）進(jìn)行上、下游壩坡計算，計算參數(shù)見表1。

表1 壩體和壩基材料強度指標(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算分析軟件中的邊坡穩(wěn)定分析程序進(jìn)行計算。計算結(jié)果見表2。

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

由壩坡穩(wěn)定計算結(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

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)計斷面見圖1。

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

方案二：為了減小河床開挖，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)試驗結(jié)果可知，覆蓋層屬于密實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)計斷面見圖2。

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

方案一工程直接費7 154.35萬元，方案二工程直接費5 991.14萬元，方案一比方案二開挖量增加19.34萬m3，工程直接費增加1 163.21萬元。從工程造價比較，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，泄洪排沙洞加長從而延長工期。

方案二：泄洪排沙洞布置簡化，長度較短，施工工期相對較短。

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

方案二：壩基開挖工程量、上游圍堰高度減小，采用大壩臨時斷面擋水度汛，簡化施工導(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、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)計方案。

3 結(jié)語

根據(jù)工程地形條件和地質(zhì)構(gòu)造，化樂水庫大壩趾板基礎(chǔ)設(shè)計擬定兩種可行設(shè)計方案：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)計方案的工程造價、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。 ■